Sistemska biologija z matematičnimi modeli do boljšega razumevanja kompleksnosti življenja
Ljubljana, 6. julija - Sistemska biologija si z matematičnimi modeli prizadeva v čim večji meri razumeti kompleksnost organizmov. Ko bodo modeli dovolj dobri, bo po besedah Kristine Gruden z Nacionalnega inštituta za biologijo (NIB) mogoče napovedati, kako se bo posamezen organizem odzval na različne dražljaje, so sporočili z inštituta.
"Odlično bi bilo na primer, da bi zdravniki na podlagi naših genetskih profilov lahko vedeli, katero zdravilo bo za nas najbolj učinkovito, ali pa da bi kmetje vedeli, katere sorte poljščin so najbolje prilagojene tlom, klimatskim pogojem in poleg tega še odporne na škodljive organizme na njihovi poljih," je ponazorila Gruden, ki na NIB vodi oddelek za biotehnologijo in sistemsko biologijo.
Živa bitja so najbolj kompleksni sistemi na zemlji. Že v eni sami celici je nešteto molekul, ki med sabo sodelujejo, da omogočajo vse življenjske funkcije in odzivanje na številne zunanje dražljaje, kot so hranila, patogeni ali različni fizikalni dražljaji. Kompleksnost procesov, ki se naenkrat odvijajo v posamezni celici, tako presega zmožnost procesiranja človeških možganov.
Večina raziskav se zato še vedno osredotoča na razumevanje posameznih procesov v celici, pri čemer obstaja nevarnost, da zaradi tega ni vidna celota in tudi ne, kako je ta proces povezan z drugimi. Kot so pojasnili na NIB, z orodji sistemske biologije življenjske procese 'prevedejo' v jezik matematike, da lahko izkoristijo zmogljivost računalnikov pri analizi in modeliranju kompleksnih življenjskih procesov.
"Sistemska biologija izhaja iz prepričanja, da so kompleksni biološki sistemi več kot le vsota posameznih procesov. Ali povedano drugače, če smo pred 50. leti opazovali delovanje, ali bolje rečeno, obnašanja celotnih organizmov in je biolog poznal vse od živali do gliv, se danes ukvarjamo z molekulami in atomsko strukturo živega," je opozoril Anže Županič z NIB.
Po besedah Županiča se je neskončno povečala količina podatkov o živem, ki jih je zdaj treba spet sestaviti v celoten organizem. Pristop sistemske biologije zato zahteva sodelovanje biologov s strokovnjaki s področij računalništva, inženiringa, bioinformatike, fizike in drugih. "Kar včasih ni enostavno, saj ne govorimo povsem istega jezika," je dodal.
"Danes smo še v zgodnji fazi razvoja pristopov sistemske biologije, ko še ne zmoremo zgraditi natančnih modelov delovanja celotnih organizmov, kljub temu pa so ti pristopi že dali pomembne rezultate zlasti v medicini in biotehnologiji," je dejal Miha Moškon s Fakultete za računalništvo in informatiko Univerze v Ljubljani. Po njegovih besedah slovenski znanstveniki pri tem ne zaostajajo za razvojem v svetu.
Slovensko vozlišče raziskovalne infrastrukture ELIXIR je sredi junija pripravilo delavnico o orodjih sistemske biologije. Raziskovalci ljubljanske medicinske fakultete in fakultete za računalništvo in informatiko so na njej predstavili orodja za analizo periodičnih signalov v bioloških sistemih, orodja za gradnjo omrežij, ki opisujejo, kako geni vplivajo drug na drugega, in orodja za uporabo celičnih metabolnih modelov v sistemski in personalizirani medicini. Uporabo teh so demonstrirali tudi na primeru analize koronavirusne bolezni.
Raziskovalci Kemijskega inštituta so prikazali računalniške metode za odkrivanje interakcij med proteini in molekulami RNK ter orodja za matematično modeliranje in kontrolo procesov proizvodnje zdravil v farmacevtski industriji.
Njihovi kolegi s Fakultete za naravoslovje in matematiko Univerze v Mariboru so predstavili matematično modeliranje signalizacije kalcija v trebušni slinavki, in to s poudarkom na iskanju izvora signala, ki bi lahko bil tarča za načrtovanje novih zdravil za zdravljenje sladkorne bolezni.
Raziskovalci NIB pa so predstavili orodje za avtomatsko določanje funkcij rastlinskih genov, model odziva rastlin na škodljive organizme in na dejavnike okolja, kot so suša, vročina ali poplave. Prikazali so tudi orodje za simulacijo molekularnih procesov na podlagi znanja, ki je integriran v model delovanja bioloških sistemov. Prav tako so izdelali orodje, ki omogoča, da se podatki raziskav primerno uredijo in jih zato lahko uporabljajo tudi drugi.
Orodja, ki so jih razvili na NIB, skupaj omogočajo učinkovito iskanje molekularnih mehanizmov odpornosti in občutljivosti kmetijskih rastlin na različne oblike stresa in posledično podpirajo razvoj novih sort, ki bodo zagotavljale prehransko varnost v obdobju klimatskih sprememb, ki prihajajo v bližnji prihodnosti.