Mit quantitativer Biologie zur gläsernen Zelle? - Verleihung des DECHEMA-Preises an Wolfgang Wiechert

"Die gläserne Zelle" formulierte das BMBF 2008 als Ziel der Systembiologie. Wie weit der Weg dahin fortgeschritten ist, erläuterte der diesjährige DECHEMA-Preisträger Prof. Dr.rer.nat. Wolfgang Wiechert von der Universität Siegen in seinem Festvortrag anlässlich der Preisverleihung am Freitag, 28. November 2008, in Frankfurt.

Angelehnt an den Bestseller "Die Vermessung der Welt" von Daniel Kehlmann schilderte er die "Vermessung der Zelle" mit experimentellen und mathematischen Methoden und zeigte auch die Schwierigkeiten, die mit der Beobachtung von Stoffwechselvorgängen im lebenden System verbunden sind. Die Systembiologie ist eine noch junge Wissenschaft, die sich zum Ziel gesetzt hat, die komplexen Regulationsnetzwerke von Zellen aufzuklären, mit systemtheoretischen Mitteln zu verstehen und die Ergebnisse zur Anwendung zu bringen. Versteht man nämlich, was in einer Zelle vor sich geht, kann man sie gezielt dazu bringen, gewünschte Produkte verstärkt und unerwünschte Produkte in geringerem Maß zu produzieren. Das ist die Voraussetzung für die "weiße", industrielle Biotechnologie.

Um die Vorgänge in der Zelle zu beobachten, werden Stoff-Flüsse mit 13C-dotierter Nahrung "angefärbt". Mittels Massenspektrometrie wird bestimmt, wie stark einzelne Zwischenstufen und Produkte im Verlauf des Stoffwechsels "gefärbt" werden, und mit hochkomplexen mathematischen Gleichungssystemen gelingt es dann, den Weg der Moleküle innerhalb des Organismus nachzuvollziehen. Die Stoff-Flussanalyse ist also keine Modellierung, sondern eigentlich eine komplexe Messtechnik.

Was in drei Sätzen beschrieben werden kann, ist in Wahrheit ein langwieriges Experimentieren, Messen und Rechnen, bei dem äußerst sorgfältig gearbeitet werden muss. Inzwischen beherrschen die Wissenschaftler um Wolfgang Wiechert das System jedoch so gut, dass sie Stoff-Flussanalysen innerhalb von 15 Sekunden erstellen können. Damit kann man auch das Verhalten von Zellen in Übergangsphasen beobachten, z.B. wenn nach einer Periode des Nahrungsmangels ein Überfluss an Nährstoffen angeboten wird. Auf Basis dieser Daten ist tatsächlich eine rechnerische Simulation von Zellen möglich. Wiechert warnte allerdings vor einem rein mechanistischen Stoffwechsel-Verständnis. In der Simulation werden diverse Annahmen gemacht, die im lebenden System so nicht gelten - um mit Kehlmann zu sprechen, "die Welt könne notdürftig berechnet werden, aber das heiße noch nicht, dass man irgend etwas verstehe." So könne es auch sein, dass einige der heutigen Messmethoden in wenigen Jahrzehnten den gleichen Stellenwert hätten wie der Cyanometer des 19. Jahrhunderts, mit dem die Bläue des Himmels gemessen wurde.

Dennoch - unter Berücksichtigung der Fehlerrechnung liefern Simulations- und Modellierungsexperimente schon heute erstaunlich gute Prognosen. Für die Grundlage industrieller Prozessentwicklungen ist die quantitative Biologie damit eine unabdingbare Voraussetzung, und für die Fokussierung von Forschungsanstrengungen leistet sie einen wertvollen Beitrag.

Den mit 20.000 Euro dotierten DECHEMA-Preis 2008 der Max-Buchner-Forschungsstiftung erhielt Prof. Dr. Wolfgang Wiechert für seine "bahnbrechenden Arbeiten auf dem Gebiet der Modellierung von Stoffwechselvorgängen, die zu einer quantitativen und experimentell gesicherten Beschreibung biologischer Systeme und ihrer industriellen Nutzung führen".

Der DECHEMA-Preis der Max-Buchner-Forschungsstiftung wird seit 1951 jährlich vergeben. Damit werden herausragende Forschungsarbeiten aus den Bereichen Technische Chemie, Verfahrenstechnik, Biotechnologie und Chemische Apparatetechnik gewürdigt. Besonders Arbeiten jüngerer Forscher werden dafür berücksichtigt, die von grundsätzlicher Bedeutung sind und eine enge Verflechtung von Forschung und praktischer Anwendung zeigen.

Quelle: DECHEMA