系统分子生物学是一门新兴的学科，但是很容易望文生义，以为系统分子生物学就是细究生物系统的科学。连系统生物学元老人物Denis Noble 也承认：在英国90%的以系统生物学名义申请的项目，只不过是改头换面的“生物信息学和基因组学”罢了。于是大家都很担心，系统生物学该不会是目前经费缺乏的实验室用来招徕眼球和新一轮圈钱运动的幌子，最后只不过是一件皇帝的新衣罢了。于是，现将关于系统生物学的种种疑虑汇集于此，做一个九问系统生物学。

1系统分子生物学一定是研究大系统的生物学吗？

近年来生物技术的突飞猛进，使得以前只能研究单一生化路径（biochemical pathway）和少数蛋白质的实验技术，一跃发展成为可以通过微阵列（Microarray）研究不同时刻细胞内数以千计的基因的表达模式、通过批量质谱仪记录成千上万的蛋白质和代谢小分子的数目和种类。很容易认为研究这样大系统的生物学，就是系统生物学。系统生物学研究者，往往会区分这样的研究为Systematic Biology，而不是系统生物学。系统生物学从某种意义上讲，是为生物学的研究找回缺失的一维---时间。系统生物学的定义是由于各组成单元相互动力作用而产生新的生物系统特性的生物学。小到单一分子的单媒反应, 比如细胞器官中的Peroxidase-oxidase, 其氧化反应就呈现出极其丰富的动力特征，可以是稳态，可以是振荡，甚至是Chaos。振荡时对催化媒的保护作用，也属于系统生物学研究的范围。

 

2系统分子生物学是改头换面的“生物信息学、基因组学或蛋白质组学”吗？

如前所述，大规模批量纪录基因、蛋白质和代谢小分子的实验技术催生了基因组学或蛋白质组学，和相应生物信息学的发展。单一基因，单一功能的情况很少。自然的，从众多基因的表达模式，和蛋白质及代谢小分子的组合特征中，找到其和生理或病理特征的关系，是很有意义的研究。但这属于功能基因组学，或功能蛋白质组学。提取生物系统的静态模式，并不是系统生物学的目标。其真正的目的在于，研究如果不通过定量建模核动力相互作用，则无法真正理解的系统特征。

 

3系统分子生物学是改头换面的“唯灵论”吗？

20世纪以前的研究者一直认为生物体不同于无机物在于其具有超越物理测量的特性从而具有生命。研究各组成单元所不具有新的系统特性，是否是“唯灵论”的再版呢？与“唯灵论”不同的是，系统生物学的所有组件，全部都是基于分子生物学所发现的生化分子和生化路径。更重要的是，新的系统特性，并不是像“唯灵论”那样从天上掉下来的，而是由建模后的数理方程推导出来的结果，其基于实验数据的理论预测，应该为实验所证实，而不仅仅是拟合数据。

 

4系统分子生物学和分子生物学、细胞生物学和理论生物学的关系？

这张剑桥大学生物物理研究组的图使这三者的关系一目了然。理论生物学发源于对生物现象的数学模型，过去五十年集大成者是理论生态学和种群基因理论。由生物化学发源的分子生物学，发现了生物现象所共有的分子结构和生化过程，其成果就是用卡通图形来描述功能。而系统生物学就是要把这些卡通图形描述的定性模型，升级成为动力研究的定量模型。

Fig. 1 Relationship among Systems biology, theoretic biology and molecular biology

5太阳下面没有新东西，系统分子生物学是一门新学科吗？

这其实像问“原子论”是一个新理论吗？“原子论”是早在希腊时代就由德谟克里斯所提出。但真正的“原子论”的建立，是在众多研究者（包括爱因斯坦对布朗运动的研究）找到丰富的实验证据以后。很难想象，在没有对细胞的整体结构和时序发展有高通量、大规模的测量以前，会有真正的系统生物学。因为建立的系统模型，可能会有部分组件的残缺，因而谈不上模型的正确。但是系统生物学，也的确有分子生物学之外的新发现。比如，一个细胞有很多不同荷尔蒙的受体(Receptors)，他们都是通过Ca2+来进行细胞信号传导的。但是不同的信号是如何通过单一的Ca2+浓度变化而实现的呢？非常有意思的是，不同的受体Receptors，可以通过不同波形的Ca2+浓度变化来实现。而信号的强弱，可以有改变波的频率来实现。这种时序的定量变化，对细胞功能的影响，正是系统分子生物学研究所独到的地方。

分子生物学在过去五十年，几经发现了大量的有关细胞和生命的细节（凡是学过现代生物学的人，应该对一本本字典一样厚厚的教科书一定还影响深刻）。了解分子生物学的各个门类，几乎已经超出了个人知识所能接受的范围。但是，分子生物学使我们对疾病有所了解（比如有关癌症的生化过程和基因，有关糖尿病的生化过程和基因），但是我们还无法控制这些过程。系统分子生物学有关疾病和疾病控制模型的建立，这也是其非常有新意的地方。

 

 

Reference:

1. System Bilogy: International Research and Development, Springer, 2007
2. Systems Biology: Definitions and  Perspective, L. Albeghina and H. V. Westerhoff, Springer, 2007
3. The MUSIC of Life: Biology Beyond the Genome, Denis Noble, 2007, 这样好的一本关于系统生物学的五星级科普读物，用了很多有关中国文化的典故，可惜到现在还没有中文译本，更多介绍：http://musicoflife.johnjsung.com/,
   英文好的同志们可以读Google Book: http://books.google.com/books?id=0TRl4gsKYXMC&printsec=frontcover&dq=The+MUSIC+of+Life:+Biology+Beyond+the+Genome&ei=hvffSJLdC4LoyASpqLjiAw&sig=ACfU3U3eq1R93QldwkNnKmuGCBaYfTJN7w#PPP1,M1
4. Principle of Systems Biology illustrated using the Virtual Heart, Denis Noble speech in ECCS 2007, 听完这段讲座不感到有当头棒喝感觉的，分子生物学上课时一定在打瞌睡 :-)。http://videolectures.net/eccs07_noble_psb/

<待续>

 

 

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