Obwohl sich die Systembiologie gerade durch die Interdisziplinarität auszeichnet, entstammen die meisten experimentellen Methoden der "traditionellen" Biologie. Schlüsseltechnologien wie Genomik und Proteomik wurden zuerst zur Lösung klassischer biologischer Probleme eingesetzt und erst in jüngster Zeit im Rahmen eines systembasierten Ansatzes verwendet. Neben diesen häufig genannten Technologien ist die Systembiologie ohne eine weitere, noch "klassischere" experimentelle Methode nicht denkbar: die Lichtmikroskopie. Die Lichtmikroskopie ist von grosser Bedeutung, weil sich damit nicht nur Informationen zum aktuellen Zustand des untersuchten Systems gewinnen lassen, sondern auch zu dynamischen Vorgängen. Bei den meisten anderen experimentellen Methoden muss das analysierte System (Moleküle, Zellen, Organismus) zur Gewinnung quantitativer Daten "eingefroren" werden, und es besteht das Risiko, dass das System dadurch verändert wird. Bei den modernen lichtmikroskopischen Methoden ist eine solche Fixierung nicht erforderlich. Die Probe wird in Echtzeit gefilmt, und die zu Grunde liegenden Abläufe des gesamten Prozesses können visualisiert werden. Deshalb lässt sich mit der Lichtmikroskopie nicht nur simultan der Standort einer Anzahl verschiedener Moleküle in einer Zelle dreidimensional darstellen, sondern es können auch Bewegungen und Interaktionen beobachtet werden.

Neue Anwendungen benötigen neue Techniken
Eine Verwendung der Lichtmikroskopie im Rahmen der Systembiologie bedingt allerdings einen spezifischen Einsatz dieser Methode. Die herkömmlichen Methoden, bei denen das Ziel in der Schaffung eines möglichst ästhetischen und informativen Bildes bestand, eigenen sich nicht zur Visualisierung und Quantifizierung eines ganzen Prozesses in Echtzeit. In der Systembiologie sind zur Beschreibung eines Systems quantitative Informationen notwendig, und dank der im vergangenen Jahrzehnt erzielten technologischen Fortschritte kann die Lichtmikroskopie diese Anforderung heute erfüllen. Optimiert wurde die Methode in zwei Bereichen: Erstens durch die Entdeckung verschiedener fluoreszierender Proteine. Dazu gehören das grün-fluoreszierende Protein (green fluorescent protein, GFP) und dessen zahlreiche durch verschiedene Mutationen verfügbare Varianten. Ein bestimmtes GFP kann nun – wie eine Etikette sozusagen – an ein gewisses Protein geheftet werden, wodurch sich Standort und Bewegung des so markierten Moleküls in einer Zelle verfolgen lassen. Durch die Anwendung spezieller Messtechniken ist es sogar möglich, quantitative Informationen zu Konzentration, Verteilung und Bindungseigenschaften von Proteinen und zur Dynamik ihrer Aktivität zu sammeln. Zweitens erlauben es die jüngsten technischen Fortschritte (Hardware und Software), die Bewegungen einzelner Protein-Moleküle in einer lebenden Zelle zu lokalisieren. Diese Messungen sind darüber hinaus nicht auf einzelne Zellen beschränkt, sondern lassen sich bei einer Unterstützung durch leistungsfähige Hochdurchsatz-Technologien wie Robotik und Mustererkennungsprogramme auch für grosse Zellpopulationen einsetzen. Dadurch werden gross angelegte Screening-Projekte ermöglicht, zum Beispiel zur Identifikation kleiner Moleküle, die auf bestimmte Abläufe in der Zelle hemmend wirken und als Wirkstoffe für Medikamente in Frage kommen.

Künftige Herausforderungen
Trotz der in den letzten Jahren erzielten bemerkenswerten Fortschritte in der Lichtmikroskopie (Entwicklung der Multiphotonenmikroskopie zur Darstellung der Tiefendimension bei lebendem Gewebe) bleiben auf dem Weg hin zur Analyse ganzer biologischer Systeme noch zahlreiche Herausforderungen zu bewältigen. Gegenwärtig haben eine Reihe von Forschungsprojekten zum Ziel, die Auflösung optischer Systeme zu erhöhen (dem im Vergleich zur Elektronenmikroskopie limitierenden Faktor), und es wird mit Nachdruck an der Entwicklung neuer Bildverarbeitungsverfahren gearbeitet, mit denen sich gleichzeitig die Bewegungen tausender Objekte (Moleküle, Zellen) eines Systems dreidimensional verfolgen lassen. Zusätzlich werden neue Werkzeuge der Informationstechnologie erforderlich sein, um diese enormen Datenmengen zu bewältigen und die biologisch relevanten Informationen herauszufiltern.

Eine weitere technische Herausforderung besteht darin, die verschiedenen Errungenschaften der modernen Lichtmikroskopie der biologischen Forschung im Sinne einer erschwinglichen Grundausrüstung zugänglich zu machen. Nur eine solche Ausrüstung eignet sich als Schnittstelle der verschiedenen Disziplinen und als Auswertungsmethode der Wahl für experimentelle Anordnungen der Systembiologie.