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Vom Molekül zum Organismus

Für das Verständnis der Selbstorganisation in der Biologie werden theoretische Modelle eine erkenntnisleitende Rolle spielen. Dank technischer Fortschritte in vielen Bereichen – von der DNA-Sequenzierung bis hin zur Mikroskopie – werden in den nächsten Jahren umfangreiche Daten zur Validierung dieser Theorien zusammenkommen. Ein tieferes Verständnis der biologischen Selbstorganisation wird für die Entwicklungsbiologie ebenso wie für die Medizin reiche Früchte tragen.

Auf die Biologie kommen spannende Zeiten zu. Neue Analyseverfahren liefern uns eine nie da gewesene Fülle an Daten über die elementaren Bausteine des Lebens: darunter die Erbsubstanz DNA, ihre Blaupause, die RNA, sowie vielerlei Proteine und Lipide. Nun gilt es, die unzähligen Einzelinformationen zu großen, umfassenden Theorien zusammen­zusetzen. Die Systembiologie ist angetreten, sich dieser großen Herausforderung zu stellen.

BLICK INS KLEINSTE DETAIL

Wie organisiert sich eine Vielzahl von Komponenten umgeben von einer Membran zu einer biologisch aktiven Zelle? Wie bilden sich dynamische innere Zellstrukturen wie der Spindelapparat? Wie werden Wachstum und Zellteilung überhaupt gesteuert? Wie entsteht aus der Information des Genoms ein ganzer Organismus? Wie wird aus einer Anhäufung von Teilen ein System? Das alles sind Fragen nach der Selbstorganisation in der Biologie1.

Erste elementare Antworten finden sich in der Theorie dynamischer Systeme – »Nach welchem Prinzip kann Ordnung aus dem Chaos entstehen?« – und in der Kontrolltheorie – »Wie lassen sich dynamische Systeme gezielt beeinflussen?«. Biologische Systeme besitzen jedoch so viele Komponenten und wirken über so viele räumliche und zeitliche Größenordnungen (Bild 2), dass sie eine völlig neue wissenschaftliche Disziplin erfordern: die Systembiologie.

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Bild 2 | Die Maßstäbe der Selbstorganisation reichen von Proteinen über einfache und komplexe makromolekulare Systeme bis zu Zellen, Zellverbänden und ganzen Organismen. [weniger]
© mit frdl. Gen. von Anthony A. Hyman, Max-Planck-Institut für Molekulare Zellbiologie und Genetik, und Martin Loose, Biotechnologisches Zentrum der TU Dresden

Die experimentelle Biologie richtet dabei ihren Blick auf die kleinsten Details: Man untersucht einzelne Komponenten und versucht daraus die Funktionsweise des Systems zu erschließen. Das ist ungefähr so, als wollte man die Funktion eines Computers rekonstruieren, indem man die elektrischen Signale an einzelnen Transistoren misst. Von dieser elementaren Ebene bis zu den beobachtbaren Leistungen des Computers ist es ein weiter Weg über viele Zwischenstufen aus Hardware und Software. Eine zentrale Frage der Systembiologie ist es, diese verschiedenen Komplexitätsebenen von biologischen Systemen zu verstehen.

 
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