SİSTEM BİYOLOJİSİ

 Sistem biyolojisinin genel olarak kabul gören iki farklı tanımlaması yapılmıştır. Kitano (1) tarafından yapılmış birinci tanımlamaya göre bu alan biyolojik sistemleri moleküler seviye değil sistem seviyesinde anlamayı amaçlayan yeni bir bilim dalıdır.

Institute for Systems Biology (2) tarafından yapılmış ikinci tanımlamaya göre sistem biyolojisi, bir organizmaya canlılığını kazandıran genlerin, proteinlerin ve biyokimyasal reaksiyonların tümleşik ve etkileşimli şekilde incelenmesini amaçlayan çok yeni ve çok disiplinli bir bilim dalıdır. Canlıların yapı taşlarının ve canlılarda meydana gelen olayların, parça parça incelenirken bütünleşik haldekinden farklı davrandıkları hakkındaki fikirler, 1930’larda ortaya çıkmış olmakla birlikte, sistem biyolojisinin gerekliliği 2000’li yıllarda, moleküler biyolojinin ve bunlara bağlı teknolojilerin hız kazanmasıyla birlikte anlaşılmıştır. İnsan ve diğer genom projeleriyle elde edilen büyük miktarda verinin umulduğu gibi kullanışlı hale getirilememesi ve mekanizma çalışmalarından elde edilen verilerin tüm sistem içindeki rollerinin büyük oranda anlamsız kalması gibi sebepler bilim insanlarını farklı arayışlara itmiştir. Bu noktadan sonra yapılan kimyasal, biyolojik ve moleküler incelemeler, sistem biyolojisine yönelen bilim insanları tarafından bütünleşik şekilde ele alınmaya çalışılmış, sistemlerin yapısı hakkında fikir edinmek amacıyla matematiksel modellere dökülmüştür. Günümüzde de devam eden bu süreç sonunda bilgisayarların da yardımıyla bu matematiksel modellerin sistem modellerine dönüştürülmesi ve sonrasında bu modeller yardımıyla sağlık, genetik, biyoteknoloji, tarım ve daha birçok alanda büyük ilerlemeler kaydedilmesi amaçlanmaktadır.

Sistem Biyolojisinin Faydalandığı Disiplinler

                 1.    Genomik

Genomik, temel olarak organizmaya ait bütün genomdaki genlerin işlevlerini, yapılarını ve evrimlerini inceleyen ve DNA’da biyolojik bir anlamı olabilecek birimleri (genler, çevrilmeyen transkripsiyon birimleri, mikroRNA’lar, genin düzenleme birimleri olan promotörler ve enhansırlar, transkripsiyon faktörleri vs.) tanımlamaya çalışan bir alt disiplindir (3). Buna ek olarak genomik, heterosis (iki farklı türün melezi olan bireyin ebeveyn türlere göre üstün özellik gösterme derecesi) ve epistasis (bir genin başka bir geni kontrol etmesi) gibi genomla ilgili fenomenlere cevap arar. Yapısal ve işlevsel genomik olmak üzere iki alt disipline ayrılır. Genlerin işlevlerinin ve etkileşimlerinin tanımlanması sistem biyolojisinin gereksinim duyduğu temel alanlardan biridir.

                 2.    Transkriptomik

Transkriptomik, hücre genomundan transkripsiyonla oluşan mRNA transkriptlerini eş zamanlı inceleyen, ekspresyon profillerini çıkaran alt disiplindir. Bu profilleri çıkarırken yaygın olarak mikrodizin ve DNA çipleri kullanılır. Çıkarılan ekspresyon profillerine transkriptom adı verilir. Bir hücre hattı için kabaca sabit olan genomun aksine transkriptom çevredeki besin çeşidi, ısı değişiklikleri, pH değişiklikleri, diğer hücrelerden gelen sinyaller gibi çevresel faktörlerle değişebilir. Hücre içinde farklı işlevler yerine getirilirken bu işlevlerle ilişkili genlerin transkripsiyonu artacağından ve transkriptom hücre içindeki tüm mRNA’ları kapsadığından, belirli bir zamanda aktif halde bulunan genleri yansıtır. Çevresel faktörlere göre genlerin ifadelerinin değişiminin ortaya çıkarılması çevre-sistem etkileşimi açısından sistem biyolojisinin olmazsa olmazlarındandır (4).

                 3.    Proteomik

Proteomik sözcüğü, genomiğe analoji olarak, ilk kez Marc Wilkins (5) tarafından konu üzerinde doktora çalışması yaparken ortaya atılmış ve tanımı şu şekilde yapılmıştır; “Proteomik, belirli bir zamanda, organizmanın belirli bir yerinde bulunan tüm proteinlerin miktarlarını, yapılarını, yerleşimlerini, modifikasyonlarını, işlevlerini, diğer proteinlerle ve makromoleküllerle olan etkileşimini araştıran alt disiplindir”. Proteomun genomdan farklı olarak sürekli değişen bir yapıya sahip olması, bunu etkileyen faktörlerin sadece çevresel olmaması, proteinlerin organizmada bulunan elemanlarla diğer moleküllere göre daha çok ilişki içinde olmaları, hücre faaliyetlerinin yöneticisi nükleik asitler olmakla birlikte hücresel faaliyetlerin temelde proteinlerle yürütülmesi proteomik disiplini sistem biyolojisi içinde apayrı bir yere koymaktadır.

                 4.    Metabolomik

Bir hücre veya canlıdaki metabolizma elemanlarının ve artıklarının (ara ürünler, son ürünler, hormonlar, sinyal molekülleri vb.) tümü metabolom olarak adlandırılır. Metabolomik ise metabolomdaki küçük moleküllü metabolitlerin yüksek verimli teknolojiler kullanılarak saptanması, miktarının belirlenmesi ve tanımlanmasıdır. Sistem biyolojisinin ana hatlarını genomik, transkriptomik ve proteomik alt disiplinleri oluştururken metabolomik, diğerlerinin arasını doldurarak biyolojik sistemlerin yapı ve işleyişi ile ilgili hikayenin bütünü anlamamıza yardımcı olan bir alt disiplindir.

                 5.    Glikomik

Bir hücre veya dokudaki karbonhidratlarının tümüne birden glikom; bu karbonhidratların miktarını, yerlerini ve ilişkilerini tanımlamaya çalışan alt disipline glikomik adı veriler. Glikozilasyonun birçok proteinin fonksiyonunu etkilemesi, hücre reseptörlerinin bir kısmının karbonhidrat zincirleri olması gibi sebeplerden dolayı glikomik sistem biyolojisinin faydalanması gereken alanlardandır.

                 6.    İnteraktomik

İnteraktomik, özellikle proteinler olmak üzere hücresel moleküller arasındaki etkileşimleri, bunların sonuçlarını ve etkilerini inceleyen bir alt disiplindir.

                 7.    Fluksomik

Fluksomik, hücre içindeki moleküllerin zaman içerisindeki dinamik ve lokal değişikliklerini inceleyen bir alt disiplindir.

                 8.    Biyoinformatik

Basitçe tanımlamak gerekirse biyoinformatik çeşitli biyoloji veri bankalarından gelen bilginin anlaşılır ve organize hale getirilmesi için informatik tekniklerin kullanımıdır. Bu amaca ulaşmak için veritabanlarını, algoritmaları, istatistiksel teknikleri kullanılır. Yukarıda daha önce bahsedilen disiplinler yüksek veri çıktılı olduklarından bu bilgilerin, kullanılabilir ve herkes tarafından erişilebilir hale gelmesi bir zorunluluktur. Bu sebeple biyoinformatiğin sistem biyolojisi ve yukarıdaki disiplinler arasındaki köprü olarak kullanılabileceğini ifade etmek yanlış olmaz.

Son yirmi yılda temel biyolojik araştırmaların klinik tıp uygulamaları ve klinik tıp bilgi sistemleri üzerindeki etkisi daha da belirleyici olmuş ve bugün yeni kuşak epidemiyolojik, tanı, teşhis ve tedavi amaçlı modüllerin ortaya çıkmasına yol açmıştır. Biyoinformatik çalışmalar, temel bilimsel araştırmalara yönelik görünmekle beraber önümüzdeki on yıl içinde klinik bilişim için vazgeçilmez olacaktır. Örneğin hastaların medikal dosyalarında giderek artan bir sıklıkla DNA dizilim bilgileri yer almaya başlayacaktır. Bugün A.B.D.’de bazı sigorta şirketleri, risk primleri belirlenirken mevcut genetik tarama test sonuçlarını talep edebilmektedir. Biyoinformatik araştırmalar için geliştirilen algoritmaların çok yakında klinik bilişim sistemlerine entegre olması beklenmektedir.

KAYNAKLAR:

1. Kitano H. Systems biology: a brief overview. Science, 2002; 295 (5560):1662-4.

2. Http://www.systemsbiology.org/Intro_to_ISB_and_Systems_Biology/Systems_Biology_–_the_21st_Century_Science. Erişim Tarihi:29.03.2009

3. Http://epa.gov/osa/spc/pdfs/genomics.pdf. Erişim Tarihi:29.03.2009

4. Subramanian A, Tamayo P, Mootha VK et al. Gene set enrichment analysis: a knowledge-based approach for interpreting genome-wide expression profiles. Proc Natl Acad Sci USA, 2005; 102(43): 15545-50.

5. Wilkins MR, Pasquali C, Appel RD et al. From Proteins to Proteomes: Large Scale Protein Identification by Two-Dimensional Electrophoresis and Amino Acid Analysis. Nature Biotechnology, 1996; 14(1): 61–65.