Terwijl de traditionele reductionistische moleculaire biologie levensverschijnselen verklaart als functies van individuele elementen, probeert de systeembiologie levensverschijnselen te begrijpen door de complexe interacties tussen deze elementen integraal te analyseren. Het werk van Dennis Noble over het virtuele hart laat zien dat het kloppen van het hart wordt veroorzaakt door feedbackeffecten tussen eiwitkanalen en spiercellen, wat de beperkingen van een reductionistische benadering illustreert. Systeembiologie biedt een nieuw onderzoeksparadigma dat de complexiteit van levensverschijnselen verklaart via deze interacties.
De conventionele moleculaire biologie is geëvolueerd via een reductionistische benadering die componenten opsplitst in hun individuele functies. Hoewel deze aanpak in grote mate heeft bijgedragen aan ons begrip van hoe genen, eiwitten en andere verbindingen in cellen werken, zijn organismen niet slechts een verzameling componenten. Organismen bestaan uit vele genen, eiwitten en verbindingen die voortdurend op elkaar inwerken in complexe reacties. Een reductionistische benadering is dus niet voldoende om het volledige beeld van het leven te begrijpen. Hoewel het belangrijk is om de functie van een enkel element te identificeren, is het moeilijk om de ware aard van levensverschijnselen te begrijpen, tenzij we begrijpen hoe ze op een geïntegreerde manier binnen het hele systeem werken.
Systeembiologie is naar voren gekomen als een alternatieve benadering van dit probleem. Systeembiologie heeft de afgelopen jaren aan populariteit gewonnen dankzij de enorme accumulatie van biologische gegevens over vrijwel elk organisme, van bacteriën tot mensen. De explosie aan data heeft nieuwe wegen geopend voor het interpreteren en voorspellen van complexe interacties die voorheen onmogelijk waren. Het is nu belangrijk om verder te kijken dan de functie van individuele componenten en te onderzoeken hoe ze zijn georganiseerd om als systeem te functioneren.
Systeembiologen proberen de hoge complexiteit van levensverschijnselen te verklaren door geaccumuleerde biologische gegevens te gebruiken om de componenten te identificeren die betrokken zijn bij een bepaald levensverschijnsel en te analyseren hoe ze met elkaar en met de systemen die ze omvatten, interageren. Ze benadrukken dat het leven geen eenvoudige machine is, maar een complex netwerk. Begrijpen hoe kleine veranderingen binnen een systeem het hele systeem beïnvloeden, is essentieel voor een dieper begrip van levensverschijnselen.
Eén manier om dit te doen is door computers te gebruiken om programma's te maken die volgens dezelfde principes werken als levende wezens, en vervolgens hun mechanismen te analyseren. Deze simulatie- en modelleringstechnieken kunnen niet alleen worden gebruikt om levensverschijnselen te verklaren, maar ook om toekomstige levensverschijnselen te voorspellen en nieuwe therapieën of medicijnen te ontwikkelen.
Dennis Noble, de maker van het virtuele hart, gebruikte deze methode om de feedbackeffecten van hartspiercellen in het kloppende hart te verklaren. Tot nu toe werd de hartslag van het hart verklaard als gevolg van de stroom van ionen door eiwitkanalen in de cellen, die spanningsveranderingen in de hartspiercellen veroorzaken. Dit is een klassiek voorbeeld van de traditionele reductionistische benadering, die probeert complexe verschijnselen te verklaren via één enkele causale keten.
Dennis Noble geloofde echter dat de hartslag niet het resultaat is van zo'n enkele oorzaak-en-gevolg-relatie, maar eerder het resultaat van een interactie tussen componenten die eiwitkanalen worden genoemd en hun bovenbouw, de spiercellen. Hij benadrukte dat deze interactie niet alleen een fysiek proces is, maar een complex proces waarbij de stroom van informatie en reacties betrokken is, en dat deze interactie de belangrijkste drijvende kracht is die het hart laat kloppen. Om dit aan te tonen, creëerden ze een computermodel van een levend hart en voerden vervolgens experimenten uit waarbij ze alle andere omstandigheden ongewijzigd lieten en het alleen die omstandigheden lieten uitvoeren die verband hielden met het feedbackeffect. Daarbij keken ze naar veranderingen in de spanning van spiercellen en veranderingen in eiwitkanalen: kaliumkanalen, calciumkanalen en gemengde ionkanalen.
Ten eerste waren er in de eerste seconde vier oscillaties van de celspanning en overeenkomstige oscillaties van de eiwitkanalen. Na de vier oscillaties werd de celspanning constant gehouden om de feedback van de celspanning naar de eiwitkanalen te stoppen. Als een van de oscillaties van het eiwitkanaal een oscillatie van de celspanning zou kunnen veroorzaken, zou het eiwitkanaal zijn oorspronkelijke oscillatie voortzetten, wat resulteert in een oscillatie van de celspanning. In het experiment stopten de oscillaties van de eiwitkanalen echter en werden de lijnen die de activiteitsniveaus weergaven vlakker. Deze resultaten tonen aan dat de hartslag niet alleen kan worden verklaard door de werking van de eiwitkanalen, en dat feedback van de spiercellen van het hart naar de eiwitkanalen essentieel is om de hartslag te genereren.
Deze experimenten laten zien dat levensverschijnselen zich niet alleen voordoen in een opwaartse causale richting, van genen of eiwitten naar organellen of cellen, maar dat de tegenovergestelde neerwaartse causale richting ook van belang is voor levensverschijnselen. Op basis van deze experimenten betoogde Dennis Noble dat het noodzakelijk is om af te stappen van een reductionistische benadering waarin genen centraal staan, en een holistische en integratieve kijk te hebben op de verschillende levensverschijnselen binnen een organisme. Dit is meer dan alleen een academisch argument; het heeft belangrijke implicaties die vragen om een paradigmaverschuiving in het biowetenschappelijk onderzoek.
Systeembiologie probeert immers levensverschijnselen te verklaren via een meer holistische en integratieve benadering, gebaseerd op het feit dat alle componenten waaruit het leven bestaat als een complex op elkaar inwerken. Het geeft richting aan toekomstig biowetenschappelijk onderzoek en zal een belangrijke rol spelen bij het verdiepen van ons begrip van verschillende levensverschijnselen.
