Süsteemne lähenemine aitab mõista ka inimese südant
Kui teil süda valutab, siis ei pruugi see olla mustast südametunnistusest. Valu võib olla sellest, et teie südamelihase rakud ei saa suurema koormuse puhul piisavalt energiat. Kuidas aga need lihasrakud, mis ei tohi eales väsida ega puhata, toidetud saavad? Sellele küsimusele on teadlased püüdnud vastust leida juba ligi kaks aastatuhandet, alates arst Claudius Galenose aegadest.
Lahenduse pakkus uus mõtlemine – süsteemibioloogia, mille pioneeride seas on ka Eesti teadlasi. Eestlaste töö innovatiivsust tõendas hiljuti maailma üks suurimaid heategevusfonde Wellcome Trust, mis toetas Tallinna tehnikaülikooli (TTÜ) teadlaste uurimisrühma 17,2 miljoni krooniga. See summa on mõeldud viie aasta peale ning toetab TTÜ küberneetika instituudi vanemteaduri Marko Vendelini rühma, mis uurib südamelihase energiavahetust.
Juba 2001. aastal kaitstud doktoritöös alustas Vendelin südamelihase mehaanikaliste ja ainevahetusprotsesside vaheliste seoste matemaatilist modelleerimist. Tema töögrupi uuringute tulemused on tänaseks laiendanud oluliselt meie teadmisi südame töö kohta ning aidanud selgitada südamelihases toimuvaid protsesse.
“Teadaolevalt on see üks suuremaid toetussummasid, mis on Wellcome Trust selles valdkonnas Eesti teadlastele eraldanud,” kinnitab TTÜ küberneetika instituudi teadussekretär Mati Kutser.
Kuidas süda tuksub?
“See on tõepoolest üks väga tähelepanuväärne sündmus. See kroonib meie 30-aastast tööd, mida on üle kümne aasta tehtud koos akadeemik Jüri Engelbrechti grupiga,” kommenteerib akadeemik Valdur Saks. Tema sõnul märgiti ära tööd, mis on viinud uue teadusliku suuna loomisele. See suund on molekulaarne süsteemne bioenergeetika, süsteemibioloogia üks osa, mis on võimaldanud paremini aru saada ka näiteks südamelihase tööst.
Vendelini südamelihaste töö uurimise eesmärgiks oli leida side rakusiseste biokeemiliste protsesside ja südamelihase mehaanilise kokkutõmbumise vahel. Selgus, et südamelihase töö on esitatav lihtsa tagasisidemehhanismi abil. Raku energiavabrikus ehk mitokondris toodetud adenosiintrifosfaadi (ATF) kogus ja selle tarbimise suurus on tasakaalus. Vendelin arendas mudeli, millest selgus, kuidas reguleeritakse hingamist mitokondris ja sellega kaasnevalt ATF-i tootmist.
On teada, et südame koormusest sõltub, milline on südamelihaste rakkude hingamise ulatus. Hapniku tarbimise ja südame koormuse vahel on aga lihtne lineaarne seos. Kuid seni pole veel lõplikult selge, millise signaali abil reguleeritakse hingamist. Vendelini ja ta kaastöötajate analüüsi tulemusel saab väita, et nähtust on võimalik seletada lihtsa tagasisidemehhanismi abil, kui arvestada eri molekulide liikumist ning interaktsiooni südamelihase rakus.
Edasise töö käigus tungisid Vendelin ja tema kolleegid Valdur Saks (kes töötab nii keemilise ja bioloogilise füüsika instituudis kui ka Grenoble’i Fourier’ ülikoolis), Jacqueline Hoerter Paris-Sud’i ülikoolist, Holly Shiels ja Rikke Birkedal Manchesteri ülikoolist ning Enn Seppet Tartu ülikoolist sügavamale südame töö saladustesse.
Neid huvitas, kuidas ikkagi energiat kandvad molekulid ATF ja adenosiindifosfaat (ADF) raku organellide vahel liiguvad. Selgus, et nende difusioon on takistatud ning sõltub mitokondrite lähedusest. Töötati välja ka meetod, mille abil mitokondrite asetust rakkudes kirjeldada.
Kõik see on eluliselt oluline teave, mis aitab parendada südame ravi ja ennetada haigusi.
Marko Vendelini ja tema kolleegide edu on tulnud uue bioloogilise mõtlemise, süsteemibioloogia rakendamisest. Veel viis-kuus aastat tagasi võimutsesid bioloogiamaailmas reduktsionistid, kes süsteemse lähenemise tegelasi ironiseerisid.
Praegu on maailmas alanud süsteemibioloogia buum. “Süsteemibioloogia püüab realiseerida oma lubadusi, mõõtes ja kaardistades bioloogilisi vastasmõjusid rakkudes, kudedes, organites ja organite süsteemides ning ennustada, kuidas paljudest üksteist mõjutavatest komponentidest koosnevad süsteemid käituvad,” määratleb Vendelin.
Matemaatiline süda
Mehhanoenergeetiline seostumine südamelihastes on olnud siiani mõistatuseks. Ja sellepärast, et asja ei uuritud süsteemselt. Akadeemik Valdur Saks, Marko Vendelin ja nende kolleegid on uurinud raku bioenergeetikat. Siin on kogu aeg võistelnud kaks koolkonda.
Ühelt poolt reduktsionistid, kes on saavutanud edu. Nemad räägivad, et peab eraldama mingi raku elemendi ja kirjeldama selle struktuuri. Seejärel järgmise elemendi. Kui teame kõiki elemente, siis teamegi kogu tõde. Kui tunneme üksikuid elemente väga hästi, tunneme ka tervikut.
Vendelin ja tema kolleegid aga arvavad, et tervik on suurem kui elementide kogum. Tekivad omavahelised seosed.
Pole veel küllaldane teada kõiki elemente. On vaja teada elementide integratsiooni.
Süsteemse bioloogia juttu on pajatatud vähemalt 30 aastat, kuid seda peeti ikka rohkem filosoofiliseks. Jutt oli, aga konkreetseid tegusid mitte. Nüüd on asi muutunud reaalseks.
Integreeritud süsteemide filosoofiat pooldas väga väike osa inimesi. Põhiliselt ütlesid reduktsionistid, et kõige tähtsam on teada, mis on geeni struktuur. Et peab raku lahti võtma, riiuli peale panema ja läbi uurima. Teadlaskonna kogu jõud läkski senini elementide struktuuri uurimisele.
Pärast seda, kui Seatle`is ja Uus-Meremaal loodi süsteemibioloogia instituudid ja ajakiri Science avaldas nelja aasta eest jaapanlase Hiroaki Kitano lühiülevaate süsteemibioloogiast, pöördusid kõik korraga süsteemsuse suunas. Ja läksid ühest laagrist teise üle.
Nii et ei jää üle muud, kui oodata uusi süsteemseid tulemusi. Seda enam, et viimase uudisena otsustas TTÜ küberneetika instituudi nõukogu avada 1. augustil mehaanika ja rakendusmatemaatika osakonnas süsteemibioloogia labori Marko Vendelini juhtimisel.
“Kavas on leida, kuidas on südamelihase rakus takistatud molekulide ATF ja ADF liikumine,” räägib Vendelin tulevikust. “Meie varasemad uuringud näitasid, et need molekulid ei liigu südamelihase rakus vabalt, vaid kohtavad ootamatuid takistusi. Kus täpselt ja milleks need takistused on, pole veel selge. Minu grandi peaeesmärk on nendele küsimustele vastus leida.”
Saadud tulemused peaksid aitama mõista, kuidas rakusisesed takistused mõjutavad südamelihase tööd nii normaalses südames kui ka pärast isheemiat.
