systems-biology
Systeemibiologia on tieteenala, joka tutkii eläviä järjestelmiä niiden osien vuorovaikutuksen ja kokonaisdynamiikan kautta — ei yksittäisten geenien tai proteiinien erilliskuvauksina. Se on biologian sovellutus yleisestä systeemiteoriasta ja modernin systeemiajattelun merkittävin empiirinen kenttä.
Määritelmä
Systeemibiologia (engl. systems biology) on lähestymistapa biologiaan, jossa organismi, solu tai kudos kuvataan järjestelmänä: toisinsa kytkeytyneiden komponenttien muodostamana kokonaisuutena, jonka käyttäytyminen syntyy osien välisistä vuorovaikutuksista. Menetelmällisesti systeemibiologia yhdistää kokeellista mittausta (genomiikka, proteomiikka, metabolomiikka) matemaattiseen mallinnukseen ja tietokonesimulaatioon.
Systeemibiologia eroaa perinteisestä molekyylibiologiasta siten, että se ei tyydy luetteloimaan osia vaan pyrkii selittämään, miten osat yhdessä tuottavat havaitun käyttäytymisen. Tämä sisältää emergenssin, takaisinkytkentöjen, faasisiirtymien ja verkostojen dynamiikan tunnistamisen elävissä järjestelmissä.
Tyypillisiä systeemibiologian tutkimuskohteita ovat:
- Solusignalointiverkostot — miten reseptorit, kinaasit ja transkriptiotekijät muodostavat kaskadeja, jotka ohjaavat solun päätöksiä.
- Geenisäätelyverkot — transkriptiofaktorit ja niiden kohdegeenit toisiinsa kytkeytyneinä säätelysilmukoina.
- Aineenvaihduntareitit — entsyymiketjut, joissa takaisinkytkentä ylläpitää homeostaasia.
- Populaatiodynamiikka — lajien vuorovaikutus ja ekosysteemien vakaus.
- Kehitysbiologia — miten samasta genomista syntyy erilaistuneita solutyyppejä.
Nykykäytännössä systeemibiologia on käytännössä synonyymi laskennalliselle ja matemaattiselle biologiaalle: se nojaa vahvasti mallinnukseen, varasto-virta-malleihin ja dynaamisten järjestelmien teoriaan.
Alkuperä
Systeemibiologian juuret ovat 1960-luvun yleisessä systeemiteoriassa (Ludwig von Bertalanffy) ja ensimmäisissä säätelyteorian sovelluksissa biologiaan. Norbert Wienerin kybernetiikka ja Henri Laboritin aivotoiminnan säätöteoria loivat käsitteellisen pohjan. 1960-luvulla syntyi ensimmäinen varsinaisen systeemibiologian laboratorio — Hiroaki Kitano nostaa esiin myöhemmin japanilaisen koulukunnan, joka formalisoi biologian dynaamisiksi malleiksi.
Nykyaikaisen systeemibiologian varsinainen läpimurto tapahtui 2000-luvun alussa, kun suuren mittakaavan omics-data (genomi, transkriptomi, proteomi, metabolomi) yhdistyi laskennalliseen kapasiteettiin. Science-lehden vuoden 2003 läpimurto-artikkeli listasi systeemibiologian nousevaksi tieteenalaksi. Tätä ennen oli jo havaittu, että yksittäisen geenin tai proteiinin tarkastelu ei riitä selittämään biologisia ilmiöitä — tarvitaan kokonaisvaltainen näkökulma.
Systeemibiologia on myös vahvasti kytköksissä ayurvedaan ja muihin perinteisiin järjestelmiin, joissa ihminen nähdään kokonaisuutena. V.A. Shiva Ayyadurai korostaa, että moderni systeemibiologia ja intialainen lääketiede jakavat saman perusintuition: järjestelmän ominaisuudet eivät palaudu yksittäisiin osiin.
"The system is not the sum of its parts, but the product of their interactions." — V.A. Shiva Ayyadurai, System and Health
Yhteydet muihin käsitteisiin
- systems-thinking — systeemiajattelu on systeemibiologian teoreettinen viitekehys.
- systems-theory — yleinen systeemiteoria, josta systeemibiologia ammentaa.
- general-systems-theory — Bertalanffyn perusta.
- holism — filosofinen lähtökohta: kokonaisuus on enemmän kuin osiensa summa.
- reductionism — vastaparina: pelkkä osiin palauttaminen ei riitä.
- emergence — systeemibiologia tutkii emergenttejä ominaisuuksia.
- feedback-loop — biologisten verkostojen ydinkäsite.
- homeostasis — säätelyn keskeinen ilmiö.
- network — solut ja elimet ovat verkostoja.
- complex-adaptive-system — organismit sopeutuvina järjestelminä.
- phase-transition — solupäätökset muistuttavat faasisiirtymiä.
- ayurveda — perinteinen systeeminen lääketiede, joka jakaa systeemibiologian perusintuitiot.
Missä oppitunneissa käsitellään
Systeemibiologia on Tier 1 -käsite — se on yksi oppimispolun neljästä perustasta. Se esitellään johdantokokonaisuudessa Systeemiajattelun perusteet ja toistuu läpi polun erityisesti moduuleissa, jotka käsittelevät homeostaasia, signaalitransduktiota ja integroituja järjestelmiä.
Lähteet
- Bertalanffy, L. von (1968). General System Theory. George Braziller.
- Kitano, H. (2002). Systems Biology: A Brief Overview. Science, 295(5560), 1662–1664.
- Alon, U. (2007). An Introduction to Systems Biology: Design Principles of Biological Circuits. Chapman & Hall.
- Ayyadurai, V.A.S. (2013). System and Health — chapter on integrated systems.
- Meadows, D. (2008). Thinking in Systems. Chelsea Green Publishing.
Aiheeseen liittyy
- systems-biology — tämä käsite
- systems-thinking — systeemiajattelun yleiskäsite
- systems-theory — systeemiteoria
- general-systems-theory — Bertalanffy
- holism — kokonaisvaltainen näkökulma
- reductionism — vastapari
- emergence — emergenssi
- emergent-properties — emergenssin ilmeneminen
- feedback-loop — takaisinkytkentäsilmukka
- homeostasis — tasapainotila
- network — soluverkostot
- complex-adaptive-system — sopeutuvat järjestelmät
- phase-transition — solupäätökset
- ayurveda — perinteinen systeeminen lääketiede