Zurück im Jahr 2000, als Michael Elowitz vom California Institute of Technology noch als Doktorand an der Princeton University gelang ihm auf dem jungen Gebiet der synthetischen Biologie eine bemerkenswerte Leistung: Er entwarf und demonstrierte als einer der ersten eine Art funktionierender „Schaltkreis“ in lebenden Zellen. Er und sein Mentor, Stanislaus Leibler, fügte eine Reihe von Genen in Escherichia coli Bakterien, die kontrollierte Schwankungen in der Produktion eines fluoreszierenden Proteins in den Zellen auslösten, wie ein Oszillator in einer elektronischen Schaltung.

Es war eine brillante Illustration dessen, was der Biologe und Nobelpreisträger François Jacob die „Logik des Lebens“ nannte: ein streng kontrollierter Informationsfluss von den Genen bis hin zu den Eigenschaften, die Zellen und andere Organismen aufweisen.

Aber diese klare Vision einer schaltkreisartigen Logik, die bei Bakterien so elegant funktionierte, scheitert zu oft in komplexeren Zellen. "In Bakterien regulieren einzelne Proteine ​​​​die Dinge", sagte Angela De Pace, ein Systembiologe an der Harvard Medical School. „Aber in komplexeren Organismen werden viele Proteine ​​auf analogere Weise involviert.“

Kürzlich haben Elowitz und seine Mitarbeiter einen Blick auf die Proteininteraktionen innerhalb eines wichtigen Entwicklungsweges geworfen, der die Embryonen von Menschen und anderen komplexen Tieren formt was die logik des komplexen lebens ist wirklich wie. Dieser Weg ist ein Aufruhr molekularer Promiskuität, der einen Wüstling erröten lassen würde, bei dem sich die Komponentenmoleküle in vielen verschiedenen Kombinationen vereinigen können. Es mag vergeblich erscheinen, zu hoffen, dass dieser chaotische Tanz ein kohärentes Signal übermitteln könnte, um das Schicksal einer Zelle zu lenken. Doch diese Art von wechselseitiger Kopplung zwischen Biomolekülen mag die Norm sein, nicht eine seltsame Ausnahme. In der Tat kann es sein, dass vielzelliges Leben überhaupt funktioniert.

„Biologische Zell-Zell-Kommunikationsschaltkreise mit ihren Familien promiskuitiver Liganden und Rezeptoren sehen wie ein Durcheinander aus und verwenden eine Architektur, die das Gegenteil von dem ist, was wir synthetischen Biologen möglicherweise entworfen haben“, sagte Elowitz.

Doch dieses scheinbare Chaos wechselwirkender Komponenten ist in Wirklichkeit ein ausgeklügeltes Signalverarbeitungssystem, das Informationen zuverlässig und effizient aus komplizierten Cocktails von Signalmolekülen extrahieren kann. „Das Verständnis der natürlichen kombinatorischen Sprache von Zellen könnte es uns ermöglichen, [sie] mit viel größerer Spezifität zu kontrollieren, als wir es jetzt haben“, sagte er.

Das entstehende Bild rekonfiguriert nicht nur unsere Sicht darauf, was Biomoleküle in unseren Zellen beim Aufbau eines Organismus vorhaben – welcher Logik sie folgen, um komplexes Leben zu erschaffen. Es könnte uns auch helfen zu verstehen, warum Lebewesen in einer unvorhersehbaren Umgebung überhaupt überleben können und warum diese Zufälligkeit die Evolution ermöglicht, anstatt sie zu frustrieren. Und es könnte erklären, warum die molekulare Medizin oft so schwer ist: warum viele Medikamentenkandidaten nicht das tun, was wir uns erhofft haben, und wie wir solche entwickeln könnten.

Boten, nicht die Nachrichten

Wenn Sie eine Maschine oder eine elektronische Schaltung entwerfen würden, wäre es töricht, sie nach einer Zelle zu modellieren. Die Bestandteile der Zellen sind meist nicht sorgfältig arrangiert und zusammengesetzt, sondern schweben und mischen sich in der Zellmembran wie eine widerspenstige, drängende Masse. Trotzdem funktioniert es irgendwie.

Die saubere, traditionelle Erklärung ist, dass die Proteinmoleküle, aus denen die meisten Funktionsteile einer Zelle bestehen, zwar ständig aufeinander stoßen, aber fast alle diese Begegnungen mit Gleichgültigkeit behandeln. Erst wenn ein Protein auf ein anderes Molekül trifft, das genau mit einem exquisit geformten Teil seiner Oberfläche ineinandergreift, schließen sich die beiden zusammen und interagieren. Diese Prozesse der präzisen molekularen Erkennung sorgen für klare Kommunikationswege innerhalb der Zellen und halten sie am Laufen.

Das einzige Problem mit dieser Geschichte ist, dass sie falsch ist. Obwohl viele Proteine ​​eine selektive molekulare Erkennung aufweisen, sind einige derjenigen, die für die Funktionsweise unserer eukaryontischen Zellen am wichtigsten sind, weit weniger wählerisch.

Nehmen Sie die Wachstumsfaktorproteine, die BMPs genannt werden, die regulieren, wie Zellen sich vermehren und in verschiedene Gewebe differenzieren, indem sie sie anweisen, Gensätze ein- und auszuschalten. Ihr Name kommt von "bone morphogenetic protein", weil das erste bekannte Gen ursprünglich für ein Protein kodiert, das an der Knochenbildung beteiligt ist.

Aber obwohl es tatsächlich daran beteiligt ist – Fehlfunktionen in der BMP-Produktion werden mit Knochenwachstumskrankheiten in Verbindung gebracht – hat sich die Vorstellung, dass das Knochenwachstum die Funktion von BMP-Proteinen ist, längst als illusorisch erwiesen. Eine Art von BMP ist an dem Entwicklungsprozess namens Gastrulation beteiligt, der etwa 14 Tage nach der Befruchtung bei menschlichen Embryonen stattfindet, wenn sich die Zellen auf verschiedene Gewebetypen spezialisieren und der Embryo von einem Zellklumpen zu einer viel komplexeren Struktur wechselt. Später, BMPs werden auch ausgedrückt im Knorpel, den Nieren, den Augen und dem frühen Gehirn, und sie steuern die Entwicklung dieser Gewebe.

Die Realität ist, dass die Funktion von BMPs nicht durch ihre Auswirkungen auf den Phänotyp (dh auf Merkmale) definiert werden kann. Sie vermitteln die Kommunikation zwischen Zellen, aber was diese Kommunikation auslöst, kann in verschiedenen Zelltypen oder in demselben Zelltyp in einem anderen Entwicklungsstadium völlig unterschiedlich sein. BMPs sind Boten, nicht die Botschaften.

Was Elowitz und andere jetzt ans Licht bringen, ist, wie BMPs diesen Trick ausführen, so quecksilberig zu sein und sich gleichzeitig vorhersehbar genug zu verhalten, dass Organismen ihr Leben auf sie setzen. Diese Qualitäten scheinen aus den Schichten der Komplexität in der Zusammensetzung des BMP-Systems und den flexiblen, variablen Affinitäten dieser Elemente zueinander hervorzugehen. Paradoxerweise macht die Komplexität das System sowohl präziser als auch zuverlässiger.

Säugetiere haben Gene, die 11 oder mehr verschiedene BMP-Proteine ​​kodieren, von denen jedes eine etwas andere Struktur hat. BMPs wirken in gebundenen Paaren oder Dimeren von gleichen oder unterschiedlichen Proteinen, und in einigen Fällen paaren sich auch diese Dimere, was die Variationen weiter vervielfacht. Die Familie der BMP-Proteine ​​haftet an einer assoziierten Familie von Rezeptorproteinen – und diese Rezeptoren bestehen auch aus Untereinheiten, die in kleinen Gruppen zusammenpassen, normalerweise vier gleichzeitig. Es ist dieser ganze Cluster von Molekülen, der die Transkriptionsfaktoren aktiviert, die Gene ein- und ausschalten und einen nachgeschalteten Effekt auf die Wirtszelle auslösen.

Es ist jedoch nicht nur so, dass jedes BMP-Dimer bestimmte Rezeptoren hat, an die es wie ein Schloss und ein Schlüssel bindet. Tatsächlich sind diese Moleküle nicht besonders wählerisch: Jedes BMP-Dimer kann mit unterschiedlicher Avidität an mehreren verschiedenen Paaren von Rezeptoruntereinheiten haften. Es ist ein kombinatorisches System, bei dem die Komponenten auf viele Arten zusammengefügt werden können: weniger wie Schlösser und Schlüssel, eher wie Legosteine.

Die möglichen Permutationen sind anstrengend, darüber nachzudenken. Wie kann der BMP-Weg jemals eine spezifische Anweisung liefern, um das Schicksal einer Zelle zu lenken? Bei so viel Komplexität „brauchte es ein wenig unkonventionelles Denken, um das Problem anzugehen“, sagte James Linton, ein Forscher in der Gruppe von Elowitz.

Das Caltech-Team, zusammen mit Yaron Antebi, ein ehemaliger Postdoc bei Elowitz, der jetzt am Weizmann Institute of Science in Israel arbeitet, experimentiert und Computerstudien die Bindungsneigungen zwischen 10 Hauptsäugerformen von BMPs und sieben Rezeptoruntereinheiten in zwei Arten von Mauszellen zu charakterisieren. Dabei wurden viele Kombinationen untersucht, aber ein automatisiertes Robotersystem zur Durchführung der Reaktionen in Zellkulturen machte es möglich.

Die Interaktionen waren zwar promiskuitiv, aber alles andere als „alles geht“. Bestimmte BMPs hatten nahezu austauschbare Wirkungen, andere jedoch nicht. In einigen Fällen funktionierten ein BMP plus zwei Rezeptoruntereinheiten ebenso wie ein Zusammenbau von drei verschiedenen Komponenten. Eine Baugruppe könnte genauso gut funktionieren, wenn ein BMP gegen ein anderes ausgetauscht wird, aber nur, wenn der Rezeptor gleich blieb. Manchmal hatten zwei vertauschte Komponenten unabhängige Effekte, und ihre kombinierte Wirkung war eine einfache Summe. Manchmal haben sich die Effekte gegenseitig verstärkt oder aufgehoben.

Im Allgemeinen könnten die BMPs in Gruppen von Äquivalenten einsortiert werden. „Wir haben zwei BMPs als gleichwertig eingestuft, wenn sie das gleiche Interaktionsmuster mit allen anderen BMPs aufweisen“, sagte Elowitz. Aber diese Äquivalenzbeziehungen waren nicht festgelegt – sie variierten mit den Zelltypen und der Konfiguration der Rezeptoren, die die Zellen exprimierten. Ein Paar von BMPs kann sich in einem Zelltyp gegenseitig ersetzen, aber nicht in einem anderen. Dieser Befund stimmte mit den Beobachtungen anderer Forscher überein, dass beispielsweise das BMP9-Protein BMP10 auf dem Weg zur Blutgefäßbildung ersetzen kann, aber nicht auf dem Weg zur Herzentwicklung.

Mehr Spezifität durch weniger Signale

Warum funktioniert die BMP-Signalisierung auf eine Weise, die so unnötig kompliziert erscheint? Das Caltech-Team spekuliert, dass es Organismen mehr für weniger geben könnte. Mathematische Modellierung durch Mitglieder der Gruppe — Christina So bei Caltech, Antebi in Israel und Arvind Murugan an der University of Chicago – zeigte, dass ein promiskuitives Interaktionssystem eine Reihe potenzieller Vorteile gegenüber eins-zu-eins molekularen Wechselwirkungen bietet.

Insbesondere in Systemen, in denen Liganden einzigartig an Rezeptoren binden, begrenzt die Anzahl der Arten von Liganden, wie viele verschiedene Zelltypen oder Ziele eindeutig adressiert werden können. In einem kombinatorischen System können verschiedene Paarungen zwischen einer kleinen Zahl von Liganden und Rezeptoren eine viel größere Zahl von Zielen spezifizieren. Die Unterschiede zwischen den Paarungen erlauben auch abgestufte Effekte statt einer Alles-oder-Nichts-Reaktion.

„Unsere Arbeitshypothese ist, dass diese Liganden-Rezeptor-Kombinationen das Potenzial haben, zelltypspezifischer zu sein als einzelne Moleküle“, sagt Elowitz.

Ein kombinatorisches System bietet daher mehr Möglichkeiten zur Adressierung von Zellen und kann komplexere Zellmuster erzeugen. Diese Vielseitigkeit ist wichtig für den Aufbau von Organismen, die viele Zelltypen in präzisen Konfigurationen enthalten. Selbst mit einem kleinen Repertoire an Signalmolekülen kann eine Zellgruppe im Embryo zum Beispiel zu Knorpel, eine andere zu Knochen und anderen zu anderen Schicksalen angeleitet werden.

Die vielen möglichen Kombinationen könnten an den Grenzen zwischen Regionen eine gewisse Unschärfe erzeugen, aber Linton spekuliert, dass diese durch den Betrieb in Verbindung mit anderen Signalisierungssystemen verschärft werden könnten. Ein Signalweg, an dem die Proteinfamilie Wnt beteiligt ist, scheint beispielsweise oft zusammen mit dem BMP-Signalweg zu funktionieren. „Wenn Sie irgendwo BMP bei der Arbeit finden, ist es sehr wahrscheinlich, dass Sie Wnt finden“, sagte Linton. Manchmal sind die Wege antagonistisch und manchmal verstärken sie sich gegenseitig. Wenn der Wnt-Weg ähnlichen kombinatorischen Regeln folgt – eine Möglichkeit, die noch experimentell erforscht werden muss, betont Elowitz – könnten BMP und Wnt dabei helfen, die Signalgebung des anderen zu verfeinern.

Elowitz und seine Kollegen meinen, dass solche kombinatorischen Regeln auf diese Weise ein weit verbreitetes „Designprinzip“ der molekularen Verdrahtung von Zellen darstellen könnten.

Der Systembiologe Galit Lahav der Harvard Medical School stimmt zu, dass ein solches System sehr sinnvoll ist. Sie fragt sich, ob etwas Ähnliches auf das Gen zutreffen könnte p53, das für die Kontrolle der Replikation und Teilung von Zellen von zentraler Bedeutung ist und oft mit Krebserkrankungen in Verbindung gebracht wird. Das p53-Protein spielt mehrere verschiedene Rollen bei der Zellsignalübertragung und es bindet an viele andere Moleküle.

Das kombinatorische Prinzip könnte sich auch auf Situationen außerhalb des Zellwachstums und der Entwicklung erstrecken. Linton sieht eine lose Parallele zu dem, was im olfaktorischen System zu passieren scheint: Der Mensch hat etwa 400 Arten von Rezeptorproteinen, die die Membranen des Riechkolbens in der Nase auskleiden, und diese Rezeptoren können gemeinsam eine große Anzahl von Gerüchen unterscheiden. Das wäre nicht möglich, wenn jedes Duftstoffmolekül von einem eigenen dedizierten Rezeptor eindeutig erkannt werden müsste. Stattdessen scheinen die Rezeptoren sich promiskutiv an Geruchsstoffe binden mit unterschiedlichen Affinitäten, und das an das Geruchszentrum des Gehirns gesendete Ausgangssignal wird dann durch kombinatorische Regeln bestimmt.

Lärm zu ihrem Vorteil nutzen

Der Beweis, dass Wechselwirkungen von Proteinen, RNA-Molekülen und DNA-Genomsequenzen, die an der Zellregulation beteiligt sind, flexibel und promiskuitiv sind, hat sich in den letzten zehn Jahren immer mehr verbreitet. Sie tauchen in einer Vielzahl von Systemen in der gesamten Biologie auf. „Angesichts der Tatsache, dass Promiskuität nicht existieren musste, sondern allgegenwärtig ist, ist die einfachste und vernünftigste Annahme, dass sie eine gewisse Funktionsfähigkeit bietet“, sagte Elowitz.

Er denkt, dass Fähigkeit im Grunde die Informationsverarbeitung ist. „So wie Neuronen, die durch Axone und Dendriten miteinander verbunden sind, eine komplexe Informationsverarbeitung durchführen können, können auch Proteine, die durch biochemische Wechselwirkungen miteinander verbunden sind, eine komplexe Informationsverarbeitung durchführen“, sagte er. Eine Erkenntnis, die auch andere Wissenschaftler aus ihren Studien zu biochemischen Netzwerken gezogen haben.

Heidi Klumpe, ein Mitglied der Gruppe von Elowitz, die einen Großteil der experimentellen Arbeiten am BMP-System durchgeführt hat, vergleicht es mit der Funktionsweise neuronaler Netze: nicht indem sie bestimmten Komponenten des Netzes feste Rollen zuweist, sondern indem sie die Rollen aus vielen Verbindungen hervorgehen lassen. „Wir glauben, dass die Zellen komplexere Berechnungen durchführen als bisher angenommen“, sagte sie.

„Wir versuchen jetzt, genau herauszufinden, welche Funktionen diese Systeme tatsächlich berechnen“, sagte Elowitz, „und welche übergeordneten Fähigkeiten diese Berechnungen dann ermöglichen.“

Der Evolutionsbiologe Andreas Wagner der Universität Zürich stimmt zu, dass die Idee, dass ein promiskuitives System wie dieses ausgewählt wurde, weil es einen Vorteil verschafft, „genau ins Schwarze trifft“. Dass dieser Vorteil in seiner Vielseitigkeit liegen könnte, sei „eine faszinierende Möglichkeit, die wahrscheinlich jedem in den Sinn gekommen ist, der ernsthaft über dieses Problem nachgedacht hat“, sagte er.

Aber er fügt hinzu, dass „es noch eine andere, profanere Möglichkeit gibt“: Vielleicht kann ein kompliziertes System wie die Zellen vielzelliger Organismen überhaupt nur so funktionieren. „Zellulare Systeme sind sehr laut“, sagte Wagner; molekulare Begegnungen in der überfüllten, drängenden Umgebung innerhalb von Zellen sind unvorhersehbar, und die von Moment zu Moment produzierten Proteinmengen schwanken zufällig. Eine Zelle, in der jede Komponente spezifisch mit einer anderen verdrahtet ist, wäre für diese unkontrollierbaren Variationen sehr anfällig. Es würde sich so verhalten, als ob Schaltungselemente immer wieder zufällig in das Netzwerk ein- und ausfallen würden.

Darüber hinaus gibt es bei jeder Teilung einer Zelle keine Garantie dafür, dass Schaltkreise aufgrund zufälliger Kopierfehler bei der DNA-Replikation exakt reproduziert werden. „Ein System wie dieses könnte äußerst empfindlich auf Mutationen reagieren, die seine Eigenschaften verändern“, sagte Wagner. "Alle diese Kosten zusammengenommen könnten durchaus unerschwinglich sein."

Folglich könnten Zellen Anpassungen entwickelt haben, die Rauschen zu ihrem Vorteil nutzen, und Elowitz' Modell der kombinatorischen Logik regulatorischer Netzwerke „kann ein Beispiel für eine solche Anpassung sein“, sagte Wagner. "Zellen können schlampige Systeme haben, deren Kraft aus der richtigen Art von Kombinatorik hervorgeht."

„Biologische Systeme sind im Allgemeinen viel robuster, als wir uns vorstellen“, sagte Meng Zhu, ein Entwicklungsbiologe an der Harvard Medical School. Forscher stellen oft fest, dass der Organismus die Wechselwirkungen und Wege in seinen Gen- und Proteinnetzwerken neu anpasst, um dies zu kompensieren, wenn sie ein scheinbar überlebenswichtiges Gen experimentell deaktivieren. Die Redundanz und die kompensatorische Funktion verwandter Proteine, wie sie im BMP-System zu sehen sind, könnten ein Schlüsselelement dieser Fähigkeit sein, sagt sie.

Zhu glaubt, dass promiskuitive, stark miteinander verbundene Proteinnetzwerke auch die Fähigkeit von Organismen fördern könnten, durch Evolution nützliche neue Fähigkeiten zu erwerben. „Ein System mit höherer Konnektivität neigt dazu, neue Funktionen einfacher entwickeln“, sagte sie, weil es schädliche Mutationen in seinen Bestandteilen besser tolerieren kann.

Umgekehrt, wenn alle Wechselwirkungen zwischen den molekularen Komponenten sehr fein abgestimmt sind, „ist es sehr schwer, etwas Neues zu tun“, sagte Ard Louis, einem Physiker, der an der Universität Oxford an Problemen der biologischen Komplexität arbeitet. Jede Änderung dieser Komponenten, auch wenn sie vorteilhaft erscheint, wird wahrscheinlich eine bestehende, möglicherweise lebenswichtige Funktion stören.

Eine promiskuitive Bindung, die es einem Protein ermöglicht, ein anderes zu ersetzen, könnte es dem Netzwerk daher ermöglichen, neue Funktionen zu erwerben, ohne die alten zu verlieren. Wagner, arbeiten mit Joshua Payne an der Eidgenössischen Technischen Hochschule Zürich, fand Unterstützung für diese Idee: Sie haben gezeigt, dass die promiskuitive Bindung von Transkriptionsfaktoren sowohl die Robustheit gegenüber Mutationen als auch die Fähigkeit, neue Funktionen zu entwickeln.

Es könnte also sein, dass ein kombinatorisches System der Ligandenbindung sowohl mehr Optionen für Zellen schafft als auch Organismen mehr Evolvierbarkeit und Robustheit gegenüber Rauschen verleiht. Die Evolution hat möglicherweise einen Großteil der Biochemie der Zelle so organisiert, dass sie viel weniger empfindlich auf Details reagiert, als die Forscher dachten.

„Ich denke, laute, weiterentwickelte biologische Systeme sind voller Details, aber viele davon sind irrelevant“, sagte Klumpe. „Außerdem kann es nicht auf ein bestimmtes Detail ankommen, sondern eher auf die Erhaltung einer übergeordneten Funktion“ – wie zum Beispiel die Anforderung, dass Transkriptionsfaktoren mit etwas Stärke binden um die Genexpression zu aktivieren.

Schaltung ist zu einfach

Diese Art von „Schlampigkeit“ in biomolekularen Netzwerken kann wichtige Konsequenzen für die Medikamentenentwicklung haben. "Eine der Herausforderungen in der Schulmedizin besteht darin, dass Medikamente für ein Zielprotein sehr spezifisch sein können, dieses Zielprotein jedoch in Bezug auf die Zelltypen, in denen es exprimiert wird, möglicherweise unspezifisch ist", sagte Elowitz. Möglicherweise können Sie ein Proteinziel sehr genau treffen, wissen aber immer noch nicht, welche Auswirkungen dies auf verschiedene Gewebe hat – falls überhaupt. Die Arbeit von Elowitz' Team legt nahe, dass Medikamente möglicherweise mehr sein müssen als „Wunderkugeln“ aus einzelnen Molekülen: Sie müssen möglicherweise verschiedene Kombinationen von gewebespezifischen Zielen treffen, um die gewünschte Reaktion auszulösen.

Was auch immer der Grund für seine kombinatorischen Prinzipien ist, das BMP-Signalsystem zeigt, dass Zellen nicht wie die Maschinen sind, die wir Menschen herstellen. "Und es könnte sein, dass das für viele biologische Systeme gilt", sagte Linton. „Wenn Sie einfache Analogien zur Elektronik machen, werden Sie zu kurz kommen.“

Dies macht es schwierig, nicht nur über biologische Systeme zu sprechen, sondern sie zu verstehen und zu konstruieren. Elektronische Analogien mögen für relativ einfache Systeme wie die Bakterien, an denen Elowitz und Leibler vor 20 Jahren arbeiteten, angebracht sein, aber wenn lebende Organismen komplizierter werden – und insbesondere wenn sie vielzellig werden, mit genetisch identischen Zellen, die in verschiedenen, spezialisierten Staaten — können andere Regeln gelten.

Das Funktionsprinzip des BMP-Systems könnte „etwas sein, das in der Natur entstanden ist, um Mehrzelligkeit und komplexere Gewebe zu erzeugen“, sagte Linton. Es sei sogar möglich, meint er, dass „dies die Innovation war, die Organismen wie uns das Entstehen ermöglichte“.

Die vielleicht nützlichsten Analogien für die Funktionsweise von Zellen sind also selbst biologisch, wie etwa Geruchssinn oder Wahrnehmung. Vielleicht ist der einzige Weg, das Leben wirklich zu verstehen, der Bezug zu sich selbst.