Merken Drucken 12.05.2005, 17:37 Schriftgröße: A A A

Bildschirm statt Mikroskop

Wie Biologen mit Physikern und Informatikern biologische Prozesse nachbauen wollen. Inzwischen hat sich das Gedankenspiel der Forscher zu einem neuen Schwerpunkt in den Biowissenschaften entwickelt: die Systembiologie. von Edda Grabar, Wiesbaden

Große Visionen beginnen häufig mit kleinen Worten. "Lieber Bernd", schrieb Rudi Balling vor einigen Jahren an seinen ehemaligen Schulfreund, einen Mathematiker der Universität Stockholm. Balling, der rastlose Leiter der Gesellschaft für Biotechnologische Forschung (GBF), hatte eine auf den ersten Blick absurde Idee: Man müsse zusammenbringen, was eigentlich nicht zusammen gehören möchte: Biologie und Physik. "Denn im Prinzip funktioniert so eine Zelle doch wie ein komplizierter Schaltkreis", erklärt er. Warum also sollte man nicht versuchen, die Vorgänge in mathematische Formeln zu zerlegen, um sie künftig am Computer zu simulieren?

Inzwischen hat sich das Gedankenspiel der Forscher zu einem neuen Schwerpunkt in den Biowissenschaften entwickelt: die Systembiologie. Auf der diesjährigen deutschen Konferenz für Biotechnologie, der "Bioperspectives" in Wiesbaden, trafen sich Experten aus der Genetik, Eiweißforschung und Biotechnologie mit Ingenieuren, Mathematikern und Informatikern. Sie alle verfolgen ein Ziel: das "System Zelle" verstehen - um Krankheiten besser beurteilen und Zellvorgänge vorhersagen zu können.

All die Gene, Erbgut-Botenstoffe, Eiweiße, die derzeit gesucht, identifiziert und charakterisiert werden, seien ja nur die Bauteile eines großen Ganzen, sagt Balling. Aber wie passen sie sich in den Stoffwechsel ein, wie werden sie reguliert? "Kein Ingenieur der Welt kann nur aus der Materialliste eines Flugzeugs einen Airbus bauen. Dafür benötigt er einen Plan."

Hilfe aus anderen Disziplinen

Für den Plan der Biologen brauchen diese die Hilfe von Kollegen aus anderen Disziplinen. "Für Physiker und Ingenieure gehört es zum täglichen Brot, komplexe Mechanismen in möglichst einfache Modelle zu überführen", sagt Alfred Pühler, Biotechnologe von der Uni Bielefeld. Angeleitet von Biologen, sollen sie deshalb die unglaublichen Datenmengen aus Genomforschung und Zellbiologie zu Modellen verdichten. Mathematiker werden dann diese Prozesse in Formeln quetschen, und Bioinformatiker machen sich daran, Programme zu entwickeln, die diese Prozesse im Computer nachbilden.

Vorarbeit an Standards und neuen Datenbanken leistet derzeit das Netzwerk "Systeme des Lebens" unter Leitung von Matthias Reuss, Bioverfahrenstechniker von der Uni Stuttgart. Die Forscher untersuchen an Leberzellen Stoffwechselwege, die Umsetzung von Arzneimitteln und anderen giftigen Substanzen und die Regenerationsfähigkeit der Zellen. "Die Leber ist das wichtigste Organ für die Mediziner, dort finden alle Entgiftungsvorgänge statt", sagt Reuss.

Direkt aus dem Operationssaal erhalten die Forscher frische Zellen, die sie weiterverarbeiten: Die Wissenschaftler versetzen die Zellen mit Arzneimitteln, schalten Enzyme ein oder aus und prüfen, wie die Leberzelle darauf reagiert: welche Signale sie verarbeitet, wie sich der Stoffwechsel verändert und ob Gene aktiviert werden. Die Informationen gibt Reuss an Bioinformatiker weiter. Die setzen die physiologischen Veränderungen in Computersimulationen um.

Mathematisierung der Biologie

Noch stehen die Wissenschaftler am Anfang. Aber künftig, so hofft Reuss, könnten sie an Leberzellen, die Wirkung von neuen Arzneimitteln testen - noch bevor sie an Geweben, Tieren oder Menschen geprüft werden. Auch Balling setzt auf den pharmakologischen Nutzen. "Etliche Medikamente verschwinden wieder in der Versenkung, weil sich erst in den letzten klinischen Versuchen unerwartete Nebenwirkungen zeigen", sagt er. So könnten Computersimulation nicht nur die Zahl von Tierversuchen und klinischen Studien verringern, sondern auch die enormen Kosten der Arzneimittelentwicklung reduzieren.

Unter der Leitung von Alfred Pühler aus Bielefeld entsteht gerade ein neues Netzwerk des Bundesforschungsministeriums: SYSMO - Systembiologie der Mikrobiologie. Wissenschaftler aus vielen unterschiedlichen Disziplinen werden dann die Stoffwechselvorgänge von Keimen in Bits und Bytes zerlegen. "Die Prozesse in Bakterien sind nahezu restlos aufgeklärt, sie eignen sich sehr gut als Modellobjekte", sagt Pühler. Beim Menschen kenne man bislang erst etwa 30 Prozent der Proteine und noch lange nicht alle Regulationsmechanismen.

Bis Biologen, Pharmazeuten und Mediziner die Entstehung von Krankheiten am Computer detailliert untersuchen und vorhersagen können, wird also noch etwas Zeit vergehen. Alfred Pühler aber prophezeit: "Die Mathematisierung der Biologie wird die Aufgabe des nächsten Jahrhunderts".

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