Dank einer rasch wachsenden Zahl vollständig sequenzierter Genome wird es nun möglich, die Aktivität von Genen auf der Stufe eines ganzen Genoms aufzuzeichnen. Informationen zur Genexpression ermöglichen zusammen mit ausgefeilten technologischen Werkzeugen die Erstellung von Modellen zum besseren Verständnis ganzer Genregulationsnetzwerke, welche Funktion und Entwicklung steuern. Es bestehen zwar bereits gewisse Ansätze zur Beschreibung von Genregulationsnetzwerken anhand von Genexpressionsdaten. Der in Zürich angewandte Ansatz des Reverse Engineering erschliesst aber einen neuartigen Zugang zur Analyse von Genexpressionsdaten auf Genomstufe und zur Identifikation der Wechselwirkungen zwischen einzelnen Genen oder Gengruppen. Ausgangspunkt dieser Methode sind umfassende biologische Datensätze, aus denen allfällige Verknüpfungen zwischen bestimmten Elementen des gesamten Netzwerks einer Zelle herausgefiltert werden sollen. Während sich die Struktur von Netzwerken, an denen nur einige wenige Gene beteiligt sind, relativ direkt verstehen und beschreiben lässt, sind Netzwerke mit hunderten oder tausenden von Genen weit komplexer, was leistungsfähige statistische und informationstechnologische Verfahren voraussetzt.

In einem interdisziplinären Forschungsteam um Professor Wilhelm Gruissem wurde dieser neue Ansatz bei den Modellorganismen Arabidopsis thaliana und Saccharomyces cerevisiae angewendet, mit dem besonderen Schwerpunkt Isoprenoid-Biosynthese und Zellzyklus.

Die Isoprenoid-Biosynthese liefert chemische Bausteine für wichtige Prozesse, die in den Zellen aller Organismen ablaufen. Das Hauptprodukt dieses Synthesewegs beim Menschen, das Cholesterin, ist im Zusammenhang mit der Entstehung von Herz-Kreislauf-Erkrankungen von grossem Interesse. Im Pflanzenreich sind Isopren-Bausteine der Ausgangspunkt für über 22'000 verschiedene Moleküle, von denen viele wichtige Abwehrfunktionen ausüben und einige als Bestandteil von Duftstoffen oder als Wirkstoffe für Medikamente genutzt werden.
Während die biochemischen Abläufe im Rahmen der Isopren-Biosynthese heute gut erforscht sind, weiss man noch wenig darüber, wie sich die Zelle über die Vorgänge des Synthesewegs und über das Zusammenspiel mit anderen biochemischen Synthesewegen und mit Signalübertragungswegen auf dem Laufenden hält. Zur Komplexität des Problems trägt zusätzlich bei, dass Pflanzen über zwei Wege zur Biosynthese von Isopren verfügen, von denen einer in den Chloroplasten, der andere im Zytoplasma der Zelle abläuft. Wilhelm Gruissem und seine Gruppe haben sich mit Forschenden aus den Bereichen Mathematik, Statistik und Informatik zu einem Projektteam zusammengeschlossen, um gemeinsam das Genregulationsnetzwerk zu erforschen, das diese Isopren-Biosynthesewege und deren Abstimmung in der Zelle steuert.

Der Zellzyklus ist der wohl wichtigste Lebensvorgang überhaupt, bei dem durch Zellteilung aus einer Zelle zwei neue entstehen. Es erstaunt daher nicht, dass an der Steuerung des Zellzyklus nicht nur hunderte von Genen beteiligt sind, sondern auch zahlreiche Synthesewege wie die Isopren-Biosynthese. Es bedeutet zwar eine enorme Herausforderung, die Genregulationsnetzwerke, welche den Zellzyklus auslösen und steuern, zu verstehen, dabei liessen sich aber wertvolle Einblicke in die Funktionsweise regulatorischer Prozesse gewinnen, welche bei vielen Krankheiten und insbesondere bei der Entstehung von Krebs eine entscheidende Rolle spielen. Herkömmliche Ansätze, bei denen wenige Gene, Proteine und biochemische Synthesewege untersucht werden, sind für ein umfassenderes Verständnis entscheidender Synthesewege und des Zellzyklus nicht ausreichend. Heute scheint die Beantwortung weiterer noch ungelöster Fragen in Reichweite, zum Beispiel nach der Funktionsweise von Genregulationsnetzwerken, die als Grundlage für komplexe biologische Reaktionen und biochemische Synthesewege dienen, oder nach der Einbettung dieser Netzwerke in die übrigen Zellabläufe.