Statement

Prof. Dr. Hans V. Westerhoff
Department of Molecular Cell Physiology & Mathematical Biochemistry,
Biocentrum Amsterdam/Niederlande
Mitglied des Lenkungsgremiums für den BMBF-Förderschwerpunkt Systembiologie

Es gilt das gesprochene Wort!

Ein großer Schritt für die Menschheit

Am Ende des vergangenen Jahrhunderts wurden wir Zeuge eines der bedeutendsten Ereignisse für die Menschheit: Die Entschlüsselung der genetischen Grundlagen des Lebens. Seither sind wir nicht nur in der Lage, die genetische Ausstattung von Mikroorganismen zur Bier-, Wein- oder Joghurt-Herstellung zu bestimmen, sondern wir haben die einmalige Chance, unsere eigenen biologischen Besonderheiten zu verstehen. Die sich daran anknüpfenden Chancen sind mit Sicherheit von größerer Bedeutung als die erste Mondlandung oder eine bemannte Mission zum Mars, denn sie können den Menschen dieser Erde zu mehr Gesundheit und damit zu einem glücklicheren Leben verhelfen.

Worum ging es genau?

Die Information, um die sich in den Biowissenschaften in den 1990er Jahren alles zu drehen schien, war die Entschlüsselung des genetischen Codes, der DNA des Menschen, die einen Bauplan für alle Bestandteile des menschlichen Körpers enthält. Man nahm an, daß man mit dem genetischen Bauplan des Menschen einen Schlüssel in der Hand halte, der es erlaube, ähnlich wie mit der Teileliste eines Volkswagen-, Porsche- oder Renault-Modells, defekte Teile zu identifizieren und durch Austausch das Gesamtsystem zu reparieren. Im Falle von Mikroorganismen glaubte man sich in der Lage, durch genetische Optimierung die heute biotechnisch eingesetzten Mikroorganismen zum Wohle der Menschheit verbessern zu können.

Das war der Stand im Jahr 2000. Was haben wir seither erreicht?

Heute ist vielen klar geworden, daß die Entschlüsselung der DNA-Information doch nicht gleichzusetzen ist mit dem funktionellen Verständnis eines Organismus. Ähnlich wie bei einem Automobil ergibt sich die Funktion nicht aus der Kenntnis der Teileliste. Ein Verständnis der Aufgaben der Software eines Fahrzeug-Computers für die Benzineinspritzung ergibt sich nicht aus der Betrachtung der Mikrochips in seinem Gehäuse. Ähnlich ist es mit der Diagnose von Krankheiten in der modernen Medizin. Die Kenntnis des genetischen Bauplans eines Menschen hat noch nicht dazu geführt, daß man mit molekularbiologischen Untersuchungsverfahren Symptome einer Erkrankung in jedem Fall einem Krankheitsbild zuordnen kann. Zu oft müssen Mediziner Beschwerden heute noch mit „hohem Alter“, psychosomatischen Ursachen oder z.B. „Wachstumsschmerzen“ diagnostizieren.

Wo liegt das Problem? In der Komplexität!

Ähnlich wie mit dem Beispiel des Computers für die Benzineinspritzung, der auf verschiedenste Meßgrößen reagiert und die optimale Kraftstoffmenge für den jeweiligen Fahrzustand ermittelt, verhält es sich mit dem menschlichen Organismus. Wir existieren, weil Tausende von biochemischen Reaktionen in unserem Körper ablaufen, die alle miteinander verzahnt oder vernetzt sind. Wenn man einen dieser Prozesse modifiziert, wird eine Vielzahl anderer Reaktionen davon betroffen sein. Die Nebenwirkungen einer Patienten-Behandlung oder einer oberflächlichen, unsachgemäßen Reparatur an einem Fahrzeug können daher fatal sein.

Daher gibt es nur zwei Wege, ein komplexes System wie ein modernes Auto oder den menschlichen Körper zu „kurieren“.

·        Die erste Methode ist die ultra-konservative Vorgehensweise, bei der Eingriffe auf einer jahrelangen experimentellen Erfahrung beruhen. Das ist die Herangehensweise der „modernen“ Medizin von heute.

·        Die andere Vorgehensweise wird in Zukunft die sein, daß man bei der medizinischen Versorgung von Patienten mit verschiedenen, aufeinander abgestimmten, synergistischen Methoden eine individualisierte und ausbalancierte Behandlung vornimmt, die das Gesamtsystem schonend wieder in ein gesundes Gleichgewicht zurückführt.

Diese wirklich moderne Medizin rückt heute in den Bereich des Möglichen!

System-Denken - Made in Germany

Die Forschergruppen um Heinrich und Rapoport an der Berliner Humboldt-Universität haben neben einem Rumänisch-Deutsch-Englischen Konsortium wesentlich dazu beigetragen, einen Ansatz zu formulieren, mit dem man die Komplexität in biologischen Systemen angehen kann. Das von ihnen begründete Feld der Stoffwechselkontrolle (Metabolic Control Analysis) ermöglichte die Entdeckung fundamentaler Prinzipien, die der zellulären Komplexität zugrunde liegen. Weitere wissenschaftliche Arbeiten haben dazu geführt, daß man komplexe zelluläre Vorgänge in mathematischen Formeln wiedergeben kann. Beispiele, welches Niveau die Modellierung biologischer Phänomene heute schon erreicht hat, können über die Webseite www.siliconcell.net abgerufen werden. Hier kann man nachrechnen lassen, wieviel Alkohol eine Hefe aus Glukose produziert oder wie unser Körper mit EGF-Signalen die Zellteilung kontrolliert.

Die wissenschaftliche Zielsetzung ist, daß man in Zukunft ein Computermodell des Menschen hat, welches man benutzen kann, um die beste Diagnose- und Behandlungsmethode für ein Krankheitsbild zu ermitteln.

Bald darauf könnte es möglich sein, ein individualisiertes Computermodell vom eigenen Körper zu haben, mit dem jeder zusammen mit dem Hausarzt seine individuelle Diät oder im Krankheitsfall, Therapie entwickeln und kontrollieren kann.

Insgesamt betrachtet werden uns systematische Ansätze nicht nur zu einem gesünderen, sondern auch zu einem längeren Leben verhelfen. In den 50er Jahren gab es nur wenige Menschen, die das Alter von 100 Jahren erreichten. Ich sage voraus, daß wir bei optimaler Ernährung und ausgewogenen Therapien im Krankheitsfall unsere durchschnittliche Lebenserwartung im Jahr 2030 auf 100 Jahre erhöhen könnten.

Neben diesen Aspekten wird die Prävention und Therapie der großen Volkskrankheiten Krebs, Diabetes und Herz-Kreislauf-Erkrankungen einen enormen Aufschwung nehmen können, wenn wir die multifaktoriellen Ursachen verstehen und entsprechend ihrer Bedeutung therapieren können. Viel zu lange hat die Forschung den Aspekt der Komplexität vernachlässigt. Heute wissen wir, daß mehr als siebzig Faktoren  für Krebs verantwortlich sein können, und mehr als vier sind von Bedeutung für jeden individuellen Tumor.

Worüber sprechen wir? Systembiologie

In den vorangegangenen Absätzen haben wir festgestellt, daß nicht allein die Kenntnis des genetischen Codes, sondern auch das Verständnis für das komplexe System des menschlichen Körpers nötig ist, um neue Medikamente, Therapien oder Nahrungsmittel zu entwickeln, die unsere Lebenssituation verbessern.

Die biowissenschaftliche Zukunft wird daher eine Zukunft der Genomik, von Hochdurchsatz-Experimenten, Mathematik und der Integration all dieser Disziplinen sein. Amerikanische und japanische Forscher haben die Führung bei den ersten beiden Forschungsdisziplinen übernommen, wohingegen die Europäer im Bereich der beiden letzteren die Nase vorn zu haben scheinen.

Große Aktivitäten in Europa

Das Jahr 2004 ist wegweisend für die Entwicklung der Systembiologie in Europa:

·        Erstens - weil die 5th International Conference on Systems Biology in Heidelberg stattfindet. Dies ist nach 2002 in Stockholm bereits das zweite Mal, dass diese Konferenz in Europa ausgerichtet wird und diesmal mit einem wahrlich internationalen Programm und einem europäischen Focus auf die Systembiologie:

(1)       Integration von experimentellen Arbeiten mit mathematischen Ansätzen,

(2)       Entdeckung von neuen grundlegenden Prinzipien über die komplexen Funktionen von lebenden Zellen und

(3)       Integration von akademischen und industriellen Aktivitäten.

·        Zweitens - weil in diesem Jahr das erste große Systembiologie-Förderprogramm in Europa die Arbeit aufgenommen hat. Das vom Bundesministerium für Bildung und Forschung geförderte Deutsche Hepatozyten Programm „Systeme des Lebens – Systembiologie“ wird mit über 40 Projektgruppen das Ziel verfolgen, eine gläserne Leberzelle in einem Computerprogramm abzubilden. Die Bedeutung dieses Förderprogramms ist enorm - Medikamente, die wir einnehmen, werden in der Leber umgebaut und auf die Ausscheidung vorbereitet, oder womöglich in der Leber zu toxischen Varianten verändert. Das begrenzt oft die Wirksamkeit von Medikamenten, die beispielsweise gegen Krebs helfen sollen. Das Deutsche Förderprogramm ist auch deshalb einmalig, weil hier interdisziplinär über Fachgrenzen hinweg in zwei Technologie-Plattformen und zwei thematischen Konsortien an der Integration von Systemwissenschaften, Mathematik, Informatik und „klassischer Labor-Biologie“ gearbeitet wird.

·        Drittens - hat in diesem Jahr die Europäische Pharma- und Biotech-Industrie ein gemeinsames Konzept für eine Kooperation im Bereich „Integrative Systems Biology“ im Wert von 500 Millionen Euro über fünf Jahre vorgestellt, das sich mit der Entwicklung neuer Medikamente und Nahrungsmittel beschäftigen soll. Diesem Projekt wurde das EUREKA Label verliehen, was bedeutet, daß es auch von den Regierungen der EU-Mitgliedsstaaten unterstützt wird.

·        Viertens - haben viele Europäische Staaten mittlerweile Förderprogramme an Universitäten oder auf nationaler Ebene gestartet. In Finnland begann zeitgleich mit dem Deutschen Förderprogramm am 1. Januar 2004 die Förderung eines Systembiologie- und Bioinformatik-Programms. In Großbritannien hat man sechs „Center of Excellence“ für Systembiologie mit einer Förderung von bis zu 40 Millionen Euro ausgestattet. In den Niederlanden ist ein Programm für ein nationales Förderinstrument bereits formuliert und man wartet nun auf die entsprechende Finanzierung.

Daneben hat man an vielen Universitäten Systembiologie-Zentren eröffnet.
Exemplarisch seien hier die BioCenter Basel und Amsterdam und die Universitä ten Heidelberg, Freiburg und Münster genannt. Daneben haben etliche Max-Planck-Institute ihre Aktivitäten in Richtung Systembiologie ausgerichtet.

·        Fünftens - und sicher nicht weniger wichtig ist - wird die Systembiologie zu einem Vehikel für viele europäische bottom-up Aktivitäten. Während die zentralen Förderinstrumente in Brüssel die Systembiologie relativ langsam aufnehmen, haben sich mehrere transnationale Initiativen zwischen einzelnen EU-Ländern entwickelt. Eine davon ist besonders interessant: Angeführt von deutscher Seite wird es eine gemeinsame Initiative im Bereich der Systembiologie von Mikroorganismen geben. Bakterien und Hefen, die für die Entwicklung und Produktion von Nahrungsstoffen und Medikamenten besonders wichtig sind, bieten aufgrund ihres relativ simplen Aufbaus wahrscheinlich die Möglichkeit, innerhalb von 10 bis 15 Jahren brauchbare Computermodelle zu liefern. Diese transnationale Initiative mit dem Namen SYSMO wird in das sehr ambitionierte transnationale Systembiologie Programm ERASYSBIO eingebettet.

·        Sechstens - wird der Ausbildung von Studenten und Wissenschaftlern eine herausragende Bedeutung zukommen. Die Kombination von Mathematik und Biologie ist eine besondere Herausforderung für künftige Wissenschaftler, der man bereits jetzt mit Workshops oder universitären Ausbildungsprogrammen begegnen will. Exemplarisch seien hier der erste Advanced FEBS Course for Systems Biology im März 2005 in Österreich (www.febssysbio.net) und das Topmaster Curriculum on Systems Biology in Amsterdam (http://www.systembiology.net/topmaster/) genannt. Diese und viele andere Aktivitäten auf europäischer Ebene werden durch die EU mit der  „Specific Supporting Action EUSYSBIO“ unterstützt.

Systembiologie muß auf vielen Ebenen verschiedene zelluläre Prozesse gleichzeitig beobachten. Wie auch in der Teilchen-Physik wird dieser Aufgabe kein einzelnes Institut oder auch keine Nation alleine gerecht werden können. Vielmehr wird es in der Systembiologie zu einem internationalen Scale-up kommen müssen, um über diese enge internationale Vernetzung den Herausforderungen der Systembiologie erfolgreich begegnen zu können. Dazu wird auch in Zukunft eine noch erhöhte finanzielle Anstrengung nationaler Förderinstitutionen erforderlich sein.

Die internationale Gemeinschaft der Systembiologen begegnet dieser Herausforderung bereits durch die Bildung internationaler Forscherverbünde wie der E. coli Alliance (IEcA) und der International Yeast Alliance (www.ysbn.net).

Ausblick

Die 5th International Conference on Systems Biology in Heidelberg wird in diesem Jahr die neuesten Ergebnisse im Bereich der Biologie, Chemie, Physik, Mathematik, Informatik und indirekt natürlich auch in Soziologie, Ökonomie und Philosophie vorstellen. Wir werden Zeuge werden von wissenschaftlichen Präsentationen über Durchbrüche im Bereich der Modellierung von zellulären Untereinheiten, einem komplett neuen Typ von Pharmaka-Design (Netzwerk-basiert), der Entschlüsselung neuer Gesetzmäßigkeiten bei der Signal-Transduktion in Zellen, neuer Verschaltungsmuster des Metabolismus in Mikroorganismen und so weiter. Diese Konferenz wird einen Statusüberblick über den Stand der Systembiologie weltweit bieten und wird der Forschung, Industrie und den Regierungsvertretern die Möglichkeit geben, ihr weiteres Vorgehen anhand des Erreichten neu zu definieren.

All dies wird helfen, den Traum zu verwirklichen, aus der Sequenzierung des menschlichen Genoms vielfältigen Nutzen für die menschliche Gesundheit zu ziehen.