Leberzelle goes Cyberspace

21. Juni 2006
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Wenn Biologen, Informatiker und Systemwissenschaftler sich zusammentun, forschen Sie meist in einer jungen Disziplin - der Systembiologie. Es geht nicht nur um die Untersuchung einzelner Gene, sondern um die Wechselwirkungen aller Komponenten einer Lebenszelle. Zentrale Rolle spielt dabei die mathematische Modellierung mit dem Ziel, eine virtuelle Laborumgebung zu schaffen, z. B. eine Leberzelle.

Das Leben in mathematischen Formeln

Noch ist die virtuelle Leberzelle eine Vision. Das Langfristziel istein mathematisches Modell, mit dem physiologische Prozesse “in silico”nachvollzogen werden können. Darunter verstehen die Systembiologen diecomputergestützte Modellierung von experimentell gewonnenen Daten.Genauer gesagt: Die klassisch in vivo oder in vitro erhobenenLabordaten werden in “profane” Differentialgleichungen übersetzt.Während bisher vorwiegend an einfachen Lebenswesen wie Hefen, Bakterienoder Taufliegen modelliert wird, hat sich das Kompetenznetz fürSystembiologie, HepatoSys, für die hochkomplizierte Leberzelle, d.h. den Hepatozyt, entschieden.Ein derartiges Unterfangen braucht natürlich fachübergreifendeKompetenz. Daher sind an der Entwicklung der virtuellen LeberzelleNetzwerker aus den Fachrichtungen Zellbiologie, Biochemie, Mathematik,Physik und Ingenieurswesen beteiligt. Networking ist auch schondeswegen angesagt, weil die beteiligten Arbeitsgruppen bundesweitverteilt agieren und zusätzlich in ein Rahmenprogramm der EuropäischenUnion, EUSYSBIO,eingebunden sind. Die Unternehmung wird von Fachleuten als weltweiteinmalig in ihrer Art bezeichnet. Das Projekt wird seit zwei Jahren vomBundesministerium für Bildung und Forschung mit zunächst fünfzehnMillionen Euro gefördet, weitere Fördermittel sind beantragt. DerErfolgsdruck ist entsprechend hoch und Erfolgsmeldungen besonderswichtig.

Neue Ansätze für die Krebsbekämpfung

Inzwischen ist ein erster Meilenstein auf dem Weg zur virtuellenLeberzelle erreicht. Den HepatoSys-Wissenschaftlern ist es gelungen,ein zyklisches Verhalten der JAK-STAT-Signalübertragungswege in einemmathematischen Modell nachzuweisen. Bisher ist man davon ausgegangen,dass die Signalübertragung zwischen den Zellakteuren, wie Proteinen undGenen, linear verläuft. JAK steht für Januskinase und STAT ist dasKürzel für “Signal Transducer and Activator of Transcription”,erläutert uns der Physiker Professor Dr. Jens Timmer,der Sprecher der HepatoSys-Initiative. Die Signalkaskade spiele eineentscheidende Rolle für die Reifung und Differentierung derVorläuferzellen der roten Blutkörperchen. Diese Kenntnis werde bereitsin Epo, bekannt seit dem Doping-Skandal der Tour de France, genutzt.Aber, und das ist das wichtige, sie scheint auch Einfluss auf dieEntstehung von Tumoren zu haben. Die in silico-Analyse hat jetztsichtbar gemacht, “dass sich Stationen des Transports von Molekülen inund aus dem Zellkern am besten für eine Hemmung der Signaltransductioneignen”, so Dr. Ursula Klingmüller vom HepatoSys-Netzwerk Regeneration.Dieses Ergebnis könnte eine wertvolle Information bei der Entwicklungvon Medikamenten zur Krebsbekämpfung sein.

Enge Kooperation von Experimentatoren und Theoretikern

Die Modellierung von Prozessen ist ein zentraler Bestandteil imHepatoSys-Netzwerk und funktioniert nur in enger Kooperation derTheoretiker mit den Biologen. Das Verfahren verläuft nach dem MusterTrial and Error, so Jens Timmer. Vereinfacht kann man sich das sovorstellen: Die Biologen gehen mit experimentellen Daten in Vorleistungund die Theoretiker, Physiker, Mathematiker und Ingenieure, entwickelndaraus Differentialgleichungen.So wird beispielsweise eine in vitro gezüchtete Leberzelle mitunterschiedlichen Hormonen stimuliert und die Ergebnisse in derzentralen Datenbank abgelegt. Darauf greifen die Theoretiker zu undversuchen mathematisch etwas nachzubauen, was im Ergebnis mit denMessdaten übereinstimmen soll. Das passiert auf beiden Seiten so langebis es passt. Je mehr Informationen in der Datenbank gesammelt sind, umso größer ist die Aussicht auf einen Treffer laut Jens Timmer.

Interessante Aspekte für die Pharmaindustrie

Das klingt nicht nur nach mühevoller Kleinstarbeit, sondern ist auchso. Wofür die ganze Arbeit, Jens Timmer? “Im Gegensatz zur bisherigenBetrachtung der Einzelkomponenten kann das mathematische Modell dasGesamtsystem und seine Funktionen sehr viel verständlicher machen”. Daszweite Ziel ist, Kosten und Dauer der Medikamentenentwicklung zureduzieren. Heute dauert es etwa 10 Jahre, bis ein Präparat marktreifist. Mit der Modellierung könnten es nur noch drei bis vier Jahre sein.Ein Aspekt, der insbesondere für die pharmazeutische Industrie vongroßem Interesse sein muss. Vor allem auch, weil bisher nur dasHepatoSys-Netzwerk auf dem Gebiet der Leberzellen forscht. DiePharmazeuten sind bereits aktiv, wie Jens Timmer berichtet. Zum einenwerben sie Forscher aus dem Projekt ab, was weniger gern gesehen wird,andererseits unterstützen sie das Netzwerk finanziell.

Datenbank hält Netzwerk zusammen

Neben den experimentellen Biologen und den Modellierern sindWissenschaftler mit anwendungsbezogenen Fragestellungen beschäftigt.Sie sind in zwei Verbündenorganisiert, die eine Gruppe für die Erforschung derHepatozyten-Regeneration und die andere für die Detoxifizierung undDedifferenzierung. Aus ihrer Arbeit entstehen wiederum im WechselspielFragestellungen, die zur Bereitstellung weiterer Modelle führen. Ohneeine enge Verzahnung kann das gar nicht funktionieren. Es gab natürlichauch Anlaufschwierigkeiten, die sich laut Jens Timmer am besten mitkulturellen Problemen beschreiben lassen. So lassen sich aus seinerErfahrung kleinere Laborteams nicht gern in die Karten schauen. Ausseiner Sicht klappt das inzwischen hervorragend dadurch, dass in derzentralen Datenbank alle Informationen zusammenfließen und jeder derNetzwerker Zugriff darauf hat.

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