V tomto blogovom príspevku preskúmame, ako interakcia medzi proteínovými kanálmi a svalovými bunkami vysvetľuje zložitosť životných javov.
Tradičná molekulárna biológia sa vyvinula prostredníctvom redukcionistického prístupu, kde sa zložky rozoberajú jeden po druhom, aby sa určili ich jednotlivé funkcie. Aj keď tento prístup výrazne prispel k nášmu pochopeniu toho, ako fungujú gény, proteíny a iné zlúčeniny v bunkách, organizmy nie sú jednoduchými zbierkami komponentov. Organizmy sa skladajú z mnohých génov, proteínov a zlúčenín, ktoré neustále interagujú v zložitých reakciách, takže redukcionistický prístup nestačí na pochopenie úplného obrazu života. Hoci je dôležité identifikovať funkciu jedného prvku, je ťažké pochopiť skutočnú podstatu životných javov bez toho, aby sme pochopili, ako fungujú integrovaným spôsobom v rámci celého systému.
Systémová biológia sa objavila ako alternatívny prístup k tomuto problému. Systémová biológia sa v posledných rokoch presadila vďaka masívnej akumulácii biologických údajov o takmer každom organizme, od baktérií až po ľudí. Explózia údajov otvorila nové cesty na interpretáciu a predpovedanie zložitých interakcií, ktoré boli predtým nemožné. Teraz je dôležité pozrieť sa za hranice funkcií jednotlivých komponentov a preskúmať, ako sú usporiadané, aby fungovali ako systém.
Systémoví biológovia sa snažia vysvetliť vysokú zložitosť životných javov pomocou nahromadených biologických údajov na identifikáciu komponentov zapojených do konkrétneho životného javu a analyzovať, ako interagujú navzájom a so systémami, ktoré ich zahŕňajú. Zdôrazňujú, že život nie je jednoduchý stroj, ale zložitá sieť. Pochopenie toho, ako malé zmeny v systéme ovplyvňujú celý systém, je nevyhnutné pre hlbšie pochopenie životných javov.
Jedným zo spôsobov, ako to urobiť, je použiť počítače na vytváranie programov, ktoré fungujú na rovnakých princípoch ako živé veci, a potom analyzovať ich mechanizmy. Tieto simulačné a modelovacie techniky možno použiť nielen na vysvetlenie životných javov, ale aj na predpovedanie budúcich životných javov a vývoj nových terapií alebo liekov.
Dennis Noble, tvorca virtuálneho srdca, použil túto metódu na vysvetlenie spätnoväzbových účinkov buniek srdcového svalu na tlkot srdca. Doteraz sa tlkot srdca vysvetľoval ako výsledok toku iónov cez proteínové kanály v bunkách, čo spôsobuje zmeny napätia v bunkách srdcového svalu. Toto je klasický príklad tradičného redukcionistického prístupu, ktorý sa pokúša vysvetliť zložité javy prostredníctvom jediného kauzálneho reťazca.
Dennis Noble však veril, že srdcový tep nie je výsledkom takého jediného vzťahu príčina-následok, ale skôr výsledkom interakcie medzi komponentmi nazývanými proteínové kanály a ich nadstavbou, svalovými bunkami. Zdôraznil, že táto interakcia nie je len fyzikálny proces, ale komplexný proces, ktorý zahŕňa tok informácií a reakcií a že táto interakcia je hlavnou hybnou silou, ktorá udržuje srdce v tepe. Aby to demonštrovali, vytvorili počítačový model živého srdca a potom spustili experimenty, v ktorých ponechali všetky ostatné podmienky nezmenené a prinútili ho vykonávať iba tie, ktoré súvisia s efektom spätnej väzby. V tomto procese skúmali zmeny napätia svalových buniek a zmeny proteínových kanálov – draslíkových kanálov, vápnikových kanálov a zmiešaných iónových kanálov.
Po prvé, v prvej sekunde boli štyri oscilácie bunkového napätia a zodpovedajúce oscilácie proteínových kanálov. Po štyroch osciláciách sa napätie bunky udržiavalo konštantné, aby sa zastavila spätná väzba z napätia bunky do proteínových kanálov. Ak by ktorákoľvek z oscilácií proteínového kanála mohla spôsobiť osciláciu bunkového napätia, proteínový kanál by pokračoval vo svojej pôvodnej oscilácii, čo by viedlo k oscilácii bunkového napätia. V experimente sa však oscilácie proteínového kanála zastavili a čiary ukazujúce úrovne aktivity v každom prípade sa sploštili. Tieto výsledky ukazujú, že srdcový tep nemožno vysvetliť fungovaním samotných proteínových kanálov a že spätná väzba od buniek srdcového svalu k proteínovým kanálom je nevyhnutná na vytvorenie srdcového tepu.
Tieto experimenty ukazujú, že životné javy sa nevyskytujú iba kauzálnym smerom nahor, od génov alebo proteínov k organelám alebo bunkám, ale že pre životné javy je dôležitý aj opačný kauzálny smer nadol. Na základe týchto experimentov Dennis Noble tvrdil, že je potrebné upustiť od redukcionistického prístupu zameraného na gény a prijať holistický a integračný pohľad na rôzne životné javy v organizme. Toto je viac než len akademický argument; má dôležité dôsledky, ktoré si vyžadujú zmenu paradigmy vo výskume biologických vied.
Systémová biológia sa napokon snaží vysvetliť životné javy prostredníctvom holistickejšieho a integratívneho prístupu založeného na skutočnosti, že všetky zložky, ktoré tvoria život, spolu pôsobia ako komplex. Poskytuje smer pre budúci výskum v oblasti vedy o živote a bude hrať dôležitú úlohu pri prehlbovaní nášho chápania rôznych fenoménov života.
