系统生物学

系统生物学是研究生物系统中所有组成成分基因构成，及其在特定条件下这些组分间的相互关系，并通过计算生物学建立数学模型来定量描述和预测生物功能、表型和行为的科学。系统生物学研究不仅横跨生物化学、分子生物学、遗传学、生理学、医学和神经科学等学科，而且还集成了工程科学、材料科学、数学、物理和化学等方法工具。德国联邦教研部从2000年开始启动实施了系统生物学相关试点项目，着手建设全球最大的系统生物学研究合作网络，并在此基础上对国内系统生物学各分支领域研究创新活动进行资助。

（一）项目实施情况

2001年，与国家基因组学研究网建设计划同步，德国联邦教研部启动实施了系统生物学生命系统研究项目。从2004年开始，联邦教研部启动了肝细胞系统生物学示范项目，该项目在全国已有的6个研究联盟基础上组建了系统生物学研究能力网络，网络中包括40多个研究团队。2007年，联邦教研部实施了4个系统生物学研究单位项目，对德国系统生物科研力量重新进行了整合。2008年，系统生物学研究伙伴计划启动，该计划致力于推动德国系统生物学研究机构内部与产业界的合作与技术成果交流，通过该计划资助了大批该领域青年学者开展研发活动。2008年，联邦教研部启动了医药系统生物学（MedSys）项目，用以支持系统生物学在医疗和制药领域的研发创新。2009年，联邦教研部最新推出了系统生物学新方法研究项目，它是2006年实施的生命系统动态过程定量化分析项目（QuantPro）的后续项目，计划通过集成基因组学、蛋白质组学和数学方法为未来系统生物学发展提供新方法和工具。此外，德国政府还高度重视推动该领域跨学科合作研究与国际合作交流。2006年，联邦教研部启动了欧洲系统生物学研究区（EraSysBio）计划支持系统生物学领域跨学科国际合作。2008年，联邦教研部在肝脏系统生物学（HepatoSys）、医药系统生物学和老龄人口系统生物学等项目中，启动了跨学科领域国际合作研究。

（二）重点领域进展

1.肝细胞模型研究 2004年，联邦教研部启动了实施肝脏系统生物学研究项目，组建了包括43个研究团队、4个区域研发网络和2个跨区域合作平台在内的国家级研发网络，是该领域世界上最大研究合作网络。根据肝脏功能为4个区域研发网络确定了不同的研究方向，如肝脏解毒功能研究、肝细胞信息传导研究、铁元素代谢研究、肝细胞再生研究等。目标是利用系统生物学技术帮助预测药物代谢过程，快速筛选有效成分，确定最佳药物用量。目前，该项目一期T程已经结束。在项目前期研究成果的基础上，2010年联邦教研部将启动内容更加复杂、更高层次的虚拟肝脏项目，计划建立可模仿实体肝脏功能的集成数字化肝脏模型——“虚拟肝脏”，借助虚拟肝脏的可视化平台开展肝脏疾病医疗和生物技术应用领域研究。项目最终目标是：以虚拟肝脏研究成果为基础，建立各类虚拟组织和器官模型，以便从细胞分子层面了解人体重要器官生理与病理过程。

2.生命健康研究 2008年，为了更好地认知复杂疾病发病机理，为各类疑难疾病寻找新的诊疗方法造福病患，联邦教研部启动了医药系统生物学研究项目。德国国内有18家相关科研机构、医院诊所及生物制药领域企业参与了项目的实施，共同开展生物标的物在疾病诊断领域应用、新型药物副作用评估以及基因差异病人病症诊疗等方面的研究，促进生命健康技术研发与临床应用的结合。目前，项目研究疾病包括：艾滋病、肺癌、胃癌和结肠癌等，下一步将继续开展慢性创伤恢复、人体组织获取肝细胞等研究。医药系统生物学项目以分子生物学实验数据为基础，并应用了联邦教研部医学基因组学研究成果。2009年，老年健康系统生物学项目启动实施，项目目标是利用系统生物学方‘法，认知人体自然衰老的过程与机制，并根据研究技术成果来进一步发展针对老年常见疾病的新的诊断治疗技术。

3.生物制氢研究 为了应对传统化石能源日益短缺和全球气候变化等问题，开发环境友好型绿色新能源已经成为当前科学界面临的紧迫挑战之一。2007年，联邦教研部启动了系统生物学研究伙伴计划中，包括了通过生物反应装置（微藻）制备氢气燃料的新技术研发。卡尔斯鲁尔、比勒费尔德、明斯特大学和马普学会戈尔姆研究所的专家组，与北方沼气公司合作，利用系统生物学分析方法，开发新的生物反应装置（微藻）制备氢气燃料技术。目前，在实验室条件下，微藻生物制氢反应器太阳能转化效率已经达到了1.5%左右（而沼气发电和燃料作物的太阳能转化效率仅为0.4%）。2009年，卡尔斯鲁尔理工学院研究人员开发了封闭式藻类高效光反应堆和降解细胞新技术，并建立了总容量250升的反应器模型，新的“封闭式光-生物反应器”太阳能转化效率比过去开放式装置提高了5倍。微藻生物制氢技术面临的主要问题仍然是生产成本过高。项目下阶段将进一步研究植物光合作用机理，分析各类环境因素对藻类植物光合作用的影响，建立藻类代谢系统生物学模型，分析和优选藻株基因组、转录组和蛋白质组等。

4.细胞信号传导研究 细胞信号传导是指细胞通过细胞膜或细胞内的受体感受信息分子的刺激，经细胞内传导系统转换成影响细胞的生物学功能（如生长、分化或死亡）的过程。利用系统生物学技术，深入研究了解细胞内部复杂的网络传导机制，有助于研制新型药物，控制致病细胞生长等疾病的治疗。联邦教研部实施系统生物学研究单位和医药系统生物学项目都部分资助和支持了该领域研究创新活动。在联邦教研部系统生物学研究伙伴计划青年团队项目的支持下，洪堡大学的尼尔斯博士发现了丝裂原活化蛋白激酶（MAPK）级联信号网络通路的功能（包括300多个基因、10多个酶和转录因子），并构建了相应的级联信号数学模型。这项研究成果对于研究抑制肝癌、结肠癌等癌症细胞生长酶激素，寻找癌症细胞分子开关，开发新型癌症治疗药物有着重要基础性作用。目前，在欧盟项目支持下，德国、法国、美国和瑞典等国的9个研究团队共同组建了跨学科的癌症研究联盟（CancerSys）。

5.微生物技术研究 细菌和其他微生物在医药健康领域有巨大的应用潜力，如微生物净化水，转基因细菌生产食品添加剂，疫苗、抗生素、激素和抗癌药物制备等。有鉴于此，2005年联邦教研部在欧洲系统生物学研究区计划框架内启动了微生物系统生物学欧洲倡议，德国、英国、荷兰、挪威、奥地利、西班牙、法国、瑞上和捷克等国都参加了该跨国合作研究计划。倡议目标是整合欧洲范围内微生物系统生物学研究能力，为医药健康、生物技术和环境保护提供技术支撑。2007年3月，联邦教研部启动了11个微生物系统生物学联合研究项目，在承担项目的82个研究团队中德国占据了32个。2008年，该项目建立了微生物系统生物学数据库，德国研究团队主要侧重在梭菌芽孢菌、假单胞菌和枯草芽孢杆菌等微生物技术研发。利用系统生物学的基囚分析和计算机模拟方法，研究人员对微生物反应过程进行精确控制，提高化工和制药产业效益。2009年，在联邦教研部的支持下，德国巴斯夫公司与斯图加特大学、特霍恩海姆大学的6个微生物技术研究机构共同开展了应用技术交流。

6.生命过程描述研究 生命过程从本质上讲是一个动态过程。2006年，联邦教研部启动实施了生命系统动态过程定量化分析项目，希望通过研究分子组成、分析其时间和空间相互作用来认识动态生命过程，突破影响生命系统的重要生物分子获取关键技术，构建可以定量化描述生命动态过程的数学模型。项目研究将系统生物学方法集成到分子生命科学研究领域，实现了基因组学、蛋白质组学和代谢组学研究与生物信息学方法工具的结合。该项目涵盖了14个研究主题，集中在认知发病机制、新药开发和改进生物制备工艺等方面。为了确保项目研究技术成果实现市场转化，项目组织实施非常注重产学研结合，参与项目企业投入了约25%的研发资金。2009年，在该项目基础上，联邦教研部新启动了系统生物学新方法研究项目，该项目涵盖了10个研究主题，致力于促进该领域新实验和理论方法工具的研发创新，利用更完善的系统生物学网络模型描述复杂生命过程，具体包括细胞结构、细胞间机械接触、细胞间信号传递、膜蛋白复合物、细胞核交换等。