Prof. Jonathon Howard
Max-Planck-Institut für molekulare Zellbiologie und Genetik, DresdenTelefon: +49 351 210-2500
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Entwicklungsbiologie . Evolutionsbiologie . Genetik . Immunbiologie . Infektionsbiologie . Informatik . Kognitionsforschung . Komplexe Systeme . Mathematik . Neurobiologie . Strukturbiologie . Zellbiologie
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Etwas konkreter verstehen die meisten Wissenschaftler darunter heute die mathematische Modellierung der elementaren Komponenten eines biologischen Systems, deren Zusammenwirken zum oft völlig unerwarteten Verhalten des Gesamtsystems führt. Ein klassisches Beispiel liefert etwa die Reaktions-Diffussions-Theorie der Morphogenese des britischen Forschers Alan Turing, bei der sich räumliche Strukturen nach einfachen molekularen Regeln ausbilden können (Bild 1). In diesem Zusammenhang ist außerdem das spannungsabhängige Öffnen von Ionenkanälen in der Nervenfaser zu nennen: Hier schlägt eine allmähliche Zustandsänderung ab einer bestimmten Schwelle in eine plötzliche Aktion um – in einen Nervenimpuls.
Ein Muster der Systembiologie kehrt immer wieder: Selbstverstärkung durch positive Rückkopplung erzeugt Instabilitäten und plötzliche Veränderungen, die wiederum räumliche und/oder zeitliche Muster und Oszillationen auslösen. In jüngerer Zeit ist es gelungen, komplexere Systeme zu modellieren, darunter den Wachstums- und Teilungszyklus von Zellen2 sowie das Schlagen der Geißeln, mit denen Einzeller sich fortbewegen3.
Mittlerweile strebt die Systembiologie sogar die Modellierung ganzer Zellen oder gar Organismen an – wobei die elementaren Komponenten nach wie vor Proteine und Gene sind! Neue Techniken erlauben deren Bestimmung mit bisher unvorstellbarer Präzision: Mit Hilfe der Massenspektrometrie misst man Proteinkonzentrationen in Proben aus nur wenigen Zellen; Mikroarrays und neue Sequenzierverfahren bestimmen das Ausmaß, in dem ein Gen aktiv ist4–6; mit der Kryo-Elektronentomografie lassen sich neuerdings sogar einzelne Proteinmoleküle innerhalb einer Zelle lokalisieren7. Da darüber hinaus von immer mehr Proteinen die Struktur bekannt ist, rückt die Modellierung einer kompletten Zelle Atom für Atom in den Bereich des Möglichen – eine atemberaubende Vorstellung, wenn man bedenkt, dass schon eine Bakterienzelle ungefähr 1012 Atome enthält, die Wassermoleküle nicht mitgerechnet. Bereits gelungen ist dieses Kunststück unter anderem mit dem »Motor« in Geißeln.
