PŘÍSLIBY SYSTÉMOVÉ BIOLOGIE

    

Jak je možné, že nejmenší genom, který nacházíme i v těch nejprimitivnějších parazitických organismech, má téměř 300 genů? Jak mohlo něco tak velkého \"najednou a samo\" vzniknout? Jsou rostliny \"inteligentní\"? Mají společné rysy s počítači? Je možné poznávat biologické systémy metodami vyvinutými pro techniku? Jak daleko dosahují možnosti systémové biologie?

Živé organismy sestávají z atomů a molekul a na této elementární úrovni se řídí stejnými fyzikálními a chemickými zákony jako neživá hmota. Přesto se biologické systémy vyznačují vlastnostmi, které jsou v neživé přírodě neobvyklé.
Jsou schopné samy sebe obnovovat rozmnožováním. V každém dnes žijícím organismu je "zapsán" vznik života z doby před přibližně 3,8 miliardy let. Jde o paměť, která nemá v neživé přírodě obdobu. Druhou význačnou vlastností jsou "chyby" při předávání dědičné informace – mutace. Bez nich by rozmnožování nevedlo k evoluci různých forem života. Bez mutací by život stagnoval a velmi brzy, např. při změně vnějších podmínek, by zanikl. Třetí zvláštností biologických systémů je jejich schopnost přijímat a využívat energii a hmotu ze svého okolí – metabolismus. Čtvrtým atributem je jejich aperiodická uspořádanost s charakteristickou vzdáleností významně překračující běžné atomární a molekulární rozměry neživé přírody.
Rozmnožování, mutace, metabolismus a uspořádanost jsou nejvýznamnější emergentní vlastnosti živých organismů. Emergentní jsou takové vlastnosti, které se "vynořují" až na vyšší úrovni propojení mezi složkami systému. Pokud jednotlivé složky systému oddělíme a zbavíme je tak vzájemných vazeb, emergentní vlastnosti zmizí. Nejsou v rozporu s elementárními fyzikálními a chemickými zákony, ale těmito zákony v podobě, v níž je dnes známe, je lze jen obtížně vysvětlit. Někdo se může domnívat, že jde o jevy, jež nás "přesahují" a jsou poznání člověka nedostupné. Tento postoj však nemá s vědou ani s pokorou, za niž se často vydává, nic společného. Atributem vědy je přesvědčení, že za rozhraním známého a neznámého jsou nové zákonitosti, které budou našemu poznání přístupné. Existence člověka jako druhu je od počátku spojena s posouváním onoho rozhraní, s poznáváním světa kolem nás i nás samotných. Tento postoj je ideologicky i nábožensky neutrální. Stejně tak neutrální je i rozhodnutí, zda k odhalení nových zákonitostí, z nichž vyplývají emergentní vlastnosti biologických systémů, budeme přispívat tím, že budeme stále lépe popisovat jejich skladbu a dynamiku na úrovni celku (tzv. holistický přístup), nebo zda se opřeme o pevné základy fyziky a chemie a budeme zkoumat součásti celku přesnými metodami, jež jsou těmto vědám vlastní (tzv. redukcionistický přístup). Holistický přístup trpí tím, že je odtržen od znalostí přesných věd. Redukcionistický přístup je rovněž vážně omezen. Živé organismy jsou ze své podstaty otevřené, nelineární systémy daleko od rovnováhy. Naproti tomu metodologie fyziky a chemie je ve své většině vytvořena pro systémy v rovnováze nebo tak blízko rovnováze, že vystačíme s lineární složkou Taylorova rozvoje. Proto tato metodologie nepokrývá celé spektrum biologických jevů včetně klíčových emergentních vlastností biologických systémů.

Východiska systémové biologie
Jsou jimi ubývání potence současných fyzikálních a chemických metod směrem ke složitým otevřeným systémům daleko od rovnováhy a důvěra v existenci kvantifikovatelného popisu dynamiky takových systémů. V podobné situaci byl novodobý člověk již dříve. Newtonovská fyzika byla vytvořena jednak z neuspokojení s dosavadním popisem světa a z víry, že dokonalost Stvoření se musí odrazit v řádu přírody, který lze zachytit matematicky formulovanými zákony. Nadšení nad silou Newtonovy mechaniky nezakrylo skutečnost, že nedokáže vysvětlit všechny jevy, s nimiž se člověk běžně setkává. Duchovní předchůdci současných postmodernistů poukazovali na propast mezi předpovědí teoretické mechaniky o vratnosti času a naší elementární zkušeností, že čas plyne od minulosti k budoucnosti a od narození ke smrti. Tato propast však není selháním vědy. Naopak, hranice poznání Isaac Newton rozšířil na celou novou třídu jevů. Toto rozšíření však nebylo a nemůže být konečné. Newtonovská vratnost času je vlastností jen těch soustav, které si s okolím vyměňují energii.
My sami jsme otevřeným systémem a stejně otevřenými systémy jsme převážně obklopeni. V takových systémech je newtonovský popis nesprávný. Náš svět převážně nezávisí na souřadnicích jednotlivých molekul a jejich hybnostech, nýbrž na tom, kolik je takových molekul v určitém makroskopickém objemu a jakou mají střední energii. Přechod od souřadnic a rychlostí jednotlivých molekul k tlaku, koncentracím a teplotě je přechodem ze světa soustav, kde může čas plynout vpřed i vzad, do světa, o němž víme, že spěje od narození jedince k jeho smrti a od jednodušších forem života k formám složitějším a rozmanitějším. Přechod mezi oběma fázovými prostory nezávisí na vůli člověka, který svět popisuje. Je to přechod k popisu, který je pro složité systémy správnější a jenž dokáže vysvětlit asymetrii času jako jejich emergentní vlastnost.

Co systémovou biologii čeká?
Systémová biologie se zabývá celou řadou emergentních vlastností a jevů, které na své vysvětlení teprve čekají. Potřeba vysvětlit je, je srovnatelná s potřebou pochopit asymetrii času. Co vede k narušení symetrie identických buněk embrya a k jejich rozrůznění v buňky odlišných typů? Život sám je emergentní vlastností hmoty, kterou jsme dosud uspokojivě nevysvětlili. Jak je možné, že nejmenší genom, který nacházíme i v těch nejprimitivnějších parazitických organismech, má téměř 300 genů? Jak mohlo něco tak velkého "najednou a samo" vzniknout? Byly dřív proteiny a až později nukleové kyseliny, nebo naopak? Má život jeden počátek, nebo dva?
Vznik života, diferenciace buněk, chování zdravých a rakovinných buněk a další emergentní vlastnosti živých systémů nelze redukovat na úroveň izolovaných genů či proteinů, a to přesto, že zkoumání dynamiky jednotlivých genů či proteinů je tím vědecky nejpotentnějším přístupem současnosti. Jde o podobně ambivalentní situaci, jaká byla mezi molekulární fyzikou a termodynamikou v 19. století. Studium atomů a molekul bylo nesmírně cenné, i když formulace zákonů termodynamiky byla uskutečněna jinými cestami. I v systémové biologii podobně jako v termodynamice musíme přejít k popisu ve fázovém prostoru zobecněných "souřadnic", které kolektivně popisují celé skupiny genů včetně jejich vzájemných vazeb. Podobnou transformaci je nutné uskutečnit pro popis dynamiky proteinů, organel, buněk, tkání, organismů i společenství. Vždy jde o přechod od popisu izolovaných prvků k charakterizaci jejich sítí včetně spojujících vazeb. Pochopení dynamiky sítí genů, proteinů, buněčných struktur, buněk, organismů a společenství vyžaduje tvorbu matematicky přesných modelů a jejich ověření srovnáním s experimenty, které sledují dynamiku biologických systémů v času a v prostoru. Volba správných stavových proměnných je v systémové biologii stejná, jako byla ta, která se odehrála v termodynamice. I v systémové biologii jde o redukci dimenzionality fázového prostoru a nalezení zákonitostí pro malý počet pravděpodobnostních stavových proměnných. Na rozdíl od rovnovážné termodynamiky mají zákonitosti systémové biologie často tvar diferenciálních nebo diferenčních rovnic, z jejichž nelinearity mohou vyplynout velmi nečekané emergentní vlastnosti.
Rád bych čtenáře upozornil na naděje, které se s rozvojem systémové biologie spojují. Ukázalo se totiž, že komunikace mezi bakteriemi vede k nelineárnímu, emergentnímu chování, které podmiňuje nebezpečnost celé řady smrtících patogenů. Bakterie jsou totiž díky této komunikaci schopné kolektivní strategie. V nízkém počtu se chovají "nenápadně" a jejich chování se skokově změní až v počtu, který umožňuje překonat obranu hostitele. Naděje, že porozumíme "řeči" nebezpečných bakterií a že budeme schopni tyto bakterie klamat falešnými signály, otevřela cestu nejen k mnoha patentům, ale získala pro systémovou biologii ještě více zájmu farmaceutických firem.

Systémová biologie v České republice
V České republice je situace v oblasti systémové biologie nepřehledná. Řada týmů dosahuje velmi zajímavých výsledků matematickým modelováním emergentních vlastností biologických systémů, aniž by používala označení systémová biologie. Na světových konferencích systémové biologie, které se od roku 2000 konají každoročně, bývá Česká republika reprezentována vzácně a pokud ano, není to v oblastech, které jsou předmětem hlavních přednášek. Systémová biologie je oborem, jenž je založen na výrazném uplatnění matematiky a informatiky v biologii. Jsou jí vlastní i postupy vyvinuté v technických vědách, identifikace systémů a zpětné inženýrství. Právě netradiční role inženýrských technik, matematiky a informatiky v biologickém oboru, který se ve své zralé podobě teprve formuje, nastavuje celý svět na přibližně stejnou startovní čáru a nám poskytuje příležitost vznikající zpoždění odstranit.
Ústav systémové biologie a ekologie AV ČR, který byl loni ustaven, se prosazuje mimo jiné modelováním emergentních vlastností fotosyntetického aparátu rostlin, řas a sinic. Vytvořili jsme otevřenou modelovací základnu pro studium dynamiky fotosyntézy v proměnlivém světelném prostředí (www.e-photosynthesis.org). Význam výzkumu fotosyntézy vyplývá z jejího významu v přírodě. Je to proces, kterým do biosféry vstupuje sluneční energie a jenž svou schopností odebírat kysličník uhličitý zajišťuje stabilitu zemské atmosféry včetně její odolnosti vůči antropogenním emisím tohoto "skleníkového" plynu. Fotosyntéza má navíc z hlediska systémové biologie obrovskou výhodu. Její dílčí reakce lze studovat neinvazivně, optickými metodami, a proto jsou jejich dynamické vlastnosti určeny s velmi vysokou přesností, od femtosekund po sekundy. Prostorové uspořádání fotosyntetického aparátu je rovněž známo velmi přesně. Modely takto dobře prozkoumaného systému je možné nejen snáze vytvářet, ale hlavně spolehlivě prověřovat a pak dále rozvíjet. Velkou výhodou je, že se nám podařilo objevit nový emergentní rys fotosyntézy, který je vysoce specifický a stal se velmi mocným verifikačním nástrojem. V harmonicky modulovaném světle totiž rostliny přejdou do režimu nucených kmitů s velmi vysokým podílem několika čistých vyšších harmonických složek. Podobně jako hudební nástroj se rostliny "rozezní nejen základním tónem", ale odpovídají i vyššími harmonickými složkami, které lze přirovnat k barvě zvukového tónu. Právě podle barvy tónu poznáme, o jaký nástroj jde. U rostlin podle vyšších harmonických složek poznáme například infekci, výživový nedostatek nebo mutaci.
Systémová biologie přináší mnoho příslibů. Nejbližší roky ukáží, jak rychle a v jakém rozsahu se tyto naděje naplní.

Ladislav Nedbal,
oddělení biologické dynamiky
Ústavu systémové biologie a ekologie AV ČR a Ústavu fyzikální biologie Jihočeské univerzity