Наука системная биология. Системная биология

Соколик Анатолий Иосифович,
доцент каф. клеточной биологии и биоинженерии
растений
1

ВВЕДЕНИЕ
Понятие «системная биология», различные его
трактовки и содержание, место среди других
приложений к биологии математики,
информационных технологий и компьютерной
техники.
Биоинформатика, компьютерная геномика,
компьютерная биология, математическая биология.
Системная биология. История.
Моделирование систем – основной подход системной
биологии. Анализ сложных систем с большими
массивами данных. Основа системной биологии –
математика.
2

Системная биология - развивающаяся
междисциплинарная область биологии, которая
анализирует сложные биологические системы разного
уровня исходя из их многокомпонентности, наличия
прямых и обратных связей, разнородности
экспериментальных данных, характеризующих
системы.
Предмет исследований - биологические системы от
субклеточного и клеточного уровней – например,
система регуляции генов, метаболизм, клеточная
динамика, взаимодействия в клеточной популяции – до
уровня популяций организмов и целых экосистем.
Методологическая основа системной биологии –
математика
3

Дж. Мюррей (James Murray) – математик:
«Чтобы обеспечить дальнейшее
процветание своей науки,
математикам придется заниматься
биологией. Памятуя о том, сколь
полезной для математики оказалась
физика и как повлияла на нее
математика, становится ясным, что,
если математики не «влезут» в
биологические науки, они простонапросто останутся в стороне от
научных открытий, которые обещают
стать самыми важными и
волнительными за всю историю
науки»
4

Основные варианты применения математики в
биологии
Статистика
Биоинформатика (объединение биологии, математики и
информатики для решения задач молекулярной биологии,
биохимии, генетики, клеточной биологии, фармакологии,
здравоохранения и т.д. синоним вычислительной
молекулярной биологии).
Включает:
· Биоинформатика последовательностей.
· Структурная биоинформатика.
· Компьютерная геномика
· Применение известных методов анализа для получения
новых биологических знаний.
· Разработка новых методов анализа биологических данных
· Разработка новых баз данных
5

Биоинформатика последовательностей
В базе данных EMBL (Европейской молекулярнобиологической лаборатории) на 1.09.2015 г. хранится
13 634 705 документов с описанием 14 579 744 964
нуклеотидных последовательностей, содержащих в целом
столько символов (нуклеотидов), что соответствует
примерно библиотеке в 105 толстых томов с убористым
шрифтом
трансляции с использованием известного генетического
кода можно получить. аминокислотные (белковые)
последовательности.
Из известных сегодня 5 миллионов белков 95 %
последовательностей – это такие гипотетические трансляты,
и больше о них ничего не известно
6

Структурная биоинформатика
Структурная биоинформатика занимается
анализом пространственных структур молекул.
Известно всего около 100 000 структур из
нескольких миллионов последовательностей.
Молекулярный докинг (молекулярная стыковка) -
метод моделирования, который позволяет предсказать
наиболее выгодную для образования устойчивого
комплекса ориентацию и положение одной молекулы
по отношению к другой.
7

Программы для молекулярной стыковки
AutoDock (http://autodock.scripps.edu)
FlexX (http://www.biosolveit.de/FlexX/)
Dock (http://dock.compbio.ucsf.edu)
Surflex (http://www.biopharmics.com, www.tripos.com)
Fred (http://www.eyesopen.com/products/applications/fred.html)
Gold (http://www.ccdc.cam.ac.uk/products/life_sciences/gold/)
PLANTS (http://www.tcd.uni-konstanz.de/research/plants.php)
3DPL (http://www.chemnavigator.com/cnc/products/3dpl.asp)
Lead Finder (http://www.moltech.ru)
Molegro Virtual Docker (http://www.molegro.com)
ICM Pro (http://www.molsoft.com/icm_pro.html)
Ligand fit, Libdock and CDocker (http://accelrys.com/services/training/lifescience/StructureBasedDesignDescription.html)
DockSearch (http://www.ibmc.msk.ru)
eHiTS (http://www.simbiosys.ca/ehits/index.html)
Glide (http://www.schrodinger.com/productpage/14/5/)
DockingShop (http://vis.lbl.gov/~scrivelli/Public/silvia_page/DockingShop.html)
HADDOCK (http://www.nmr.chem.uu.nl/haddock/)
8

Биоинформатика Компьютерная геномика
Сегодня определены полные или почти полные
последовательности геномов многих организмов, но это не
самоцель, а первый шаг для исследования того, как
функционирует та или иная клетка
Изучение геномов позволяет найти новые метаболические
пути или ферменты, которые будут применены в
биотехнологическом производстве (например, витаминов и
других биологически активных веществ)
Компьютерный анализ позволяет с известной степенью
точности охарактеризовать несколько тысяч генов силами
небольшой группы примерно за неделю, тогда как
Экспериментальное определение функции только одного
гена требует интенсивной работы одной лаборатории как
минимум в течение нескольких месяцев
9

Биоинформатика
Применение известных методов анализа для получения
новых биологических знаний
Существует множество методов и инструментов для
компьютерного анализа биологических данных,
представленных в виде программ в Интернете и имеющих
удобный пользовательский интерфейс.
На неправильный вопрос компьютер всегда дает
неправильный ответ. Нужно учитывать границы
применимости тех или иных методов.
компьютерный анализ биологических данных является
экспериментом (только сделанным не в пробирке) и к нему
предъявляются те же требования – четкость постановки,
контроли
10

Биоинформатика
Разработка новых методов анализа
биологических данных
Разработка новых баз данных
11

Математическая биология
Математическая биология относится к прикладной
математике и использует её методы.
В математической биологии исследуются биологические
задачи и проблемы методами современной математики, а
результаты имеют биологическую интерпретацию
Пример - закон Харди-Вайнберга (для идеальной
популяции),
p2+2pq+q2=1
где p и q – частоты аллелей гена

Компьютерная биология
Частично перекрывается с биоинформатикой
Область науки о компьютерном анализе генетических
текстов, аминокислотных последовательностей,
пространственной структуры и динамики белков,
Этот анализ лежит в основе определения макромолекулмишеней, и поиска низкомолекулярных комплексов с
целью создания новых лекарств,
Компьютерная биология превратилась в
быстроразвивающееся направление биомедицины
13

Компьютерная биология
Процесс создания нового лекарственного соединения можно
разделить на следующие этапы:
(1) поиск мишени (например, белка) действия нового
лекарства;
(2) поиск низкомолекулярного соединения, обладающего
нужным фармакологическим действием;
(3) изучение этого соединения в эксперименте;
(4) проведение испытаний в клинике.
Уже первый этап поиска подходящего кандидата на
лекарство – перебор
сотен миллионов вариантов из
соответствующей
базы
данных
низкомолекулярных
соединений
14

Оценки вычислительных потребностей для полного
расчета энергии связывания всех низкомолекулярных
соединений, входящих в различные базы данных
Уровень сложности
моделирования
Молекулярная механика
Метод
SPECTTOPE
Размер
базы
140000
Время
расчета
1 час
Жесткие лиганд/мишень
LUDI
30000
1-4 часов
Молекулярная механика
Hammerhead 80000
Частично
деформируемый
DOCK
лиганд
Жесткая мишень
DOCK
Молекулярная механика
Молекулярная механика
Квантомеханический
активный сайт
ICM
3-4 дня
17000
3-4 дня
53000
14 дней
50000
21 день
AMBER,
1
CHARMM
Gaussian, Q1
Chem
несколько
дней
несколько
недель
15

Производительность суперкомпьютеров
Название
флопс
килофлопс
мегафлопс
гигафлопс
терафлопс
петафлопс
эксафлопс
зеттафлопс
йоттафлопс
ксерафлопс
год
1941
1949
1964
1987
1997
2008
2019 или позже
не ранее 2030
-
флопсы
100
103
106
109
1012
1015
1018
1021
1024
1027
16

Самый мощный сегодня суперкомпьютер в мире
Tianhe-2 (Млечный путь 2)
2013 году. 200-300
миллионов
долларов.
1300 ученых и
инженеров
трудились над
созданием Tianhe2, «Млечный путь2». Стойки: 125
Cores: 3120000
Производительност
ь: 33862.7 TFlop/s
Мощность: 17808.0
0 kW
Память: 1024000 GB
17

Системная биология - активно развивающаяся
междисциплинарная область науки, которая анализирует сложные
биологические системы с учетом их многокомпонентности, наличия
прямых и обратных связей, а также разнородности и большого
количества экспериментальных данных. Предметом исследований
в этой области может являться система регуляции генов,
метаболизм, а также клеточная динамика и взаимодействия в
клеточной популяции
(Биохимик может определить ферменты и продукты цикла
Кребса, но рассчитать динамику изменения их концентрации
может только системный биолог.)
Важнейшим принципом для системной биологии
является «холизм», который должен заменить
«редукционизм».
18

Системная биология (systems biology)
Редукционистский подход предполагает, что свойства
сложной многокомпонентной системы можно получить только
при рассмотрении ее отдельных
Декарт утверждал, что
комнонентов.
животные могут быть
Например,
«объяснены» как совокупность
работы отдельных автоматов
физиологические
- De homine, 1662.
функции организма
станут понятны
только при детальном
знании его
отдельных клеток.
19

Холистический подход
предполагает, что свойства сложной
многокомпонентной системы невозможно
представить как сумму свойств ее отдельных
компонент.
Например, физиологические функции организма «не
обнаружимы» при рассмотрении его отдельных
клеток.
20

Системная биология (systems biology)
Основная задача системной биологии, которая не
пересекается с биоинформатикой это – моделирование
свойств динамических биосистем с дискретным
(имеющим рамки) и непрерывным временем (большая
часть био-систем).
В целом биологические системы неравновесны (открыты, они
постоянно обмениваются со средой энергией и веществом) и
нелинейны (изменения их состояния не полностью
определяется предшествующим).
Поэтому для них используются специальные методы анализа
и описания (нелинейная динамика).
21

Системная биология (systems biology)
Предпосылками появления системной биологии
являются:
- Количественное моделирование ферментативной
кинетики - направление, формировавшееся между
1900 и 1970 годами,
- Математическое моделирование роста популяций,
- Моделирование в нейрофизиологии,
- Теория динамических систем и кибернетика.
22

Развитие системной биологии:
Организационная и теория и теория систем
Богданова – как не странно беларуский ученый и
революционер из Гродно - Александр Малиновский
(псевдоним Богданов – один из создателей и лидеров
РСДРП, совместно с Лениным). Выдающийся философ,
написавший несколько больших трудов о Тектологии,
введенной им науки, раскрывающий единый принцип
устройства, организации и управления биологических и
небиологических систем. Именно он ввел понятия
открытости биологической системы, её
саморегуляции, самоорганизации,
«самоусложнения», возможности
убывания энтропии, благодаря которым многие
такие системы обладают холистическими свойствами.
Малиновский/Богданов - признанный создатель основ
системной биологии, биоинформатики и кибернетики.
23

Карл Людвиг фон Берталанфи
основной популяризатор теории систем
в США. Главным образом, заимствовал и
развивал идеи в математике систем.
Широко известен как «отец» общей
теории систем.
Теоретически обосновал, что термодинамические
классические законы (сохранения энергии и массы и
возрастания энтропии) «не работают» при
рассмотрении биологических систем
24

Открытые системы по Берталанфи – могут принимать больше энергии, чем
отдавать. Они усовершенствуют себя сами, по заложенному в них принципу
организации, саморегуляции и самоуправления. В случае биологии – на
основе генетического кода и его реализации (фенома) в пределах,
задаваемых данными условиями существования.
25

Этапы развития системной биологии:
Модель биологического роста Берталанфи
Самое простое дифференциальное уравнение (уравнение для описания
динамических процессов – подставляются известные параметры и их
соотношения, т.е. коэффициенты, что позволяет найти неизвестные
интересующие нас параметры, а также построить график и по нему
установить неизвестные параметры).
Уравнение изменения длины (любых размеров) со временем:
L – длина, t – время
rB – скорость роста по Бертфаланфи Loo – предельная длина организма.
Дополнительные коэффициенты (не указаны выше) – доступности пищи,
уровня метаболизма, фазы онтогенеза и т.п.. Они помогуют более точно
рассчитать изменение роста во времени. Модель используется и сейчас.
26

Одна из первых моделей, в которой решалась задача физиологии, была
модель распротранения нервного импульса (потенциала действия),
созданна А. Ходжкиным и Э. Хаксли для аксона кальмара (1952 г.)
В 1960 Денис Нобл создал первую модель клеток-пейсмейкеров в сердце –
математическую модель сердечного ритма.
Официальное признание современной Системной биологии как отдельной
науки относят к международному симпозиуму, проходившему в Кливленде
в 1966 г., под названием "Systems Theory and Biology» - Системная теория
и биология.
В 1960-70 годах развивались первые метаболические модели – модели
сетей ферментов и их активности. Появились теории Метаболического
контроля, обратной негативной и позитивной связи для регуляции,
появились первые доступные рассчетные модели для структур белка.
27

1980-е годы: во время бурного развития молекулярной биологии о
моделировании забыли, тем более, что у биологов развился скептициз к
всемогуществу математики и физики Компьютеры были маломощные и не
позволяли производить необходимые биологам рассчеты.
С начала 90-х годов, так называемой эры геномики, когда появились
первые огромные массивы нуклеотидных и аминокислотных
последовательностей, потребности в их анализе привели к новому бурному
витку развития системной биологии.
Прорыв в быстродействии и доступности компьютерных технологий (19902000 гг.) вылился в привлечении всё большего числа программистов,
математиков и физиков-теоретиков в биологию.
После 2000 появились -омиксы – семейство наук, создавших
необходимость обработки огромных массивов биологических данных.
28

- Феномика: вариации в фенотипе и ее изменение в течение жизненного
цикла.
- Геномика: ДНК последовательности организмов или клеток. Аннотация,
картирование и анализ генов, экзонов (кодир.) и интронов (некодир.),
других участков.
- Эпигеномика / Эпигенетика: транскриптомная регуляция,
некодирующиеся геномом, например, ДНК метилирование или
ацетилирование гистонов.
- Транскриптомика: измерение изменения экспрессии отдельных генов
при помощи «DNA microarrays» (ДНК-чипов).
- Интерферомика: знание о механизмах и многообразии систем
«корректировки» транскриптов, например, РНК-интерференция.
29

Смежные дисциплины (и их объекты), из которых,
главным образом, берутся и анализируются данные
в биоинформатике и системной биологии:
- Протеомика (транслятомика – более редкое название): измерения
белков и пептидов при помощи двух-мерного гель-электрофореза в
комбинации с масс-спектрометрией, HPLC и других детекторов.
Подразделяется на фосфопротеомикс, гликопротеомикс, мембранный и
эндомембранный протемикс и др. типы.
- Метаболомика: измерение соотношения, разнообразия и
распределения, а также связи с функциями организма небольших молекул
(т.н. метаболитов), не относящихся к биополимерам.
- Гликомика: измерение соотношения, разнообразия и распределения, а
также связи с функциями организма углеводов.
30

Смежные дисциплины (и их объекты), из которых,
главным образом, берутся и анализируются данные
в биоинформатике и системной биологии:
- Липидомика: измерение соотношения, разнообразия и распределения,
а также связи с функциями организма липидов.
- Интерактомика: измерение и анализ взаимодействий между
молекулами, химических реакций. Например, белок-белковые
взаимодействия.
- Нейроэлектродинамика: анализ организация и функция нейронов как
динамической системы, способной обрабатывать информацию при
помощи электрических сигналов.
- Иономика и флаксомика: области, изучающие активности и
распределение ионов и их потоков, соответственно.
- Биомика: системный анализ биома (проявлений жизни – явлений
присущих только живым системам).
31

Инструменты системной биологии
Исследования в области системной биологии чаще всего
заключаются в разработке модели сложной биологической
системы, то есть модели, сконструированной на основе
количественных данных об элементарных процессах,
составляющих систему.
Для анализа полученных систем могут применяться
математические методы нелинейной динамики, теории
случайных процессов, либо использоваться теория
управления.
Из-за сложности объекта изучения, большого количества
параметров, переменных и уравнений, описывающих
биологическую систему, современная системная биология
немыслима без использования компьютерных технологий
32

National Science Foundation (NSF) – своего рода фонд
фундаментальных исследований США
среди задач биологии 21-го века поставил и
серьезный вызов для системной биологии –
построение модели функционирования целой
клетки. Эта задача уже в какой-то степени решена
33

Karr J.R., Sanghvi J.C.,
Macklin D.N., Gutschow
M.V., Jacobs J.M., Bolival
B., Assad-Garcia N.,
Glass J.I., Covert M.W.
(2012).
A Whole-Cell
Computational Model
Predicts Phenotype
from Genotype.
Cell 150, 389–401;
Модель клетки Mycoplasma genitalium как целого, которая состоит из 28
субмоделей различных клеточных процессов. Субмодели сгруппированы
по категориям: ДНК, РНК, белки и метаболизм. Субмодели связаны друг с
другом через общие метаболиты, РНК, белки и хромосомальную ДНК, что
показано стрелками соответствующих цветов.

Систе́мная биоло́гия - междисциплинарное научное направление, образовавшееся на стыке биологии и теории сложных систем, ориентированное на изучение сложных взаимодействий в живых системах. Впервые термин используется в статье 1993 года авторов W. Zieglgänsberger и TR. Tölle . Широкое распространение термин «системная биология» получил после 2000 года.
Формирует новый подход к интерпретации результатов в биологии 21-го века вместо традиционного для биологии прошлых столетий редукционизма, и такой новый подход в настоящее время обозначают терминами холизм и интеграционизм англ. integrationism). Основное внимание в системной биологии уделяется так называемым эмерджентным свойствам, то есть свойствам биологических систем, которые невозможно объяснить только с точки зрения свойств её компонентов.
Понимание (англ. insight) биологии на системном уровне даёт возможность для более верного осмысления структуры, динамики и функций как отдельной клетки, так и организма в целом, чем при рассмотрении по-отдельности частей клетки или организма.
Системная биология тесно связана с математической биологией.

Связанные понятия

Теорети́ческая фи́зика - раздел физики, в котором в качестве основного способа познания природы используется создание теоретических (в первую очередь математических) моделей явлений и сопоставление их с реальностью. В такой формулировке теоретическая физика является самостоятельным методом изучения природы, хотя её содержание, естественно, формируется с учётом результатов экспериментов и наблюдений за природой.

Нейроне́т (англ. NeuroNet, NeuroWeb, Brainet) или Web 4.0 - один из предполагаемых этапов развития Всемирной паутины, в котором взаимодействие участников (людей, животных, интеллектуальных агентов) будет осуществляться на принципах нейрокоммуникаций. По прогнозам, должен заменить собою Web 3.0 приблизительно в 2030-2040 годах. Один из ключевых рынков, выбранных для развития в рамках российской Национальной технологической инициативы.

«Наука системнаЯ биология»

Введение
Первые попытки применения теории систем к биологии относятся к 30-м годам XX в. так, в 1932 г. УолтерКэнон, декан факультета физио- логии Гарвардского университета, в своей книге «Мудрость тела» («The wisdom of the body») описал термином «гомеостаз» способность организмов поддерживать большое число фи- зиологических величин на постоянном уровне, несмотря на непрерывные изменения условий внешней среды. В 1943 г. американский матема- тик Норберт Винер вместе с соавторами пред- положил, что отрицательныеобратные связи могут играть центральную роль в поддержании стабильности живых систем, связав, тем самым, концепции контроля и оптимума с динамикой биологических систем. В последние годы интерес к системному подходу в биологии был вызван прорывом в технологиях секвенирования и, как результат, расшифровке геномов, траскриптомов и проте- омов человека и других организмов. Наличие мощных вычислительныхресурсов (суперком- пьютеров) и скоростных Интернет-соединений также значительно облегчило доступ к огром- ным массивам молекулярно-биологических дан- ных и обеспечило возможность их анализа, что в значительной степени стало основанием для современной системной биологии. Об активном развитии этой области биологии в последнее время говорит следующий факт: количество статей, представленных Pub med и содержащихфразу «systems biology», увеличилось со 140 в 2003 г. до более 10 000 в 2013 г (Афонников Д.А., Миронова В.В., 20141).

Общие сведения
Системная биология - активно развивающаяся междисциплинарная область науки, которая анализирует сложные биологические системы с учетом их многокомпонентности, наличия прямых и обратных связей, а также разнородности экспериментальных данных. Предметомисследований в этой области может являться система регуляции генов, метаболизм, а также клеточная динамика и взаимодействия клеточной популяции.
Системная биология в настоящее время включает в себя как специфические экспериментальные техники, так и богатый теоретический арсенал. Моделирование в системной биологии является основным инструментом как для анализа и интегрирования экспериментальных данных, так идля предсказаний поведения системы в условиях, отличных от экспериментальных.
Многие методы и подходы теоретической системной биологии могут напрямую использоваться для практических задач фармакологии и биоиндустрии. В частности, если необходимо количественно описать и предсказать поведение сложной метаболической или клеточной системы, либо оптимизировать ее функционирование, системно-биологическаямодель становится единственной альтернативой затратному случайному перебору с использованием сложных экспериментальных методик .

История
Предпосылками появления системной биологии являются:

Количественное моделирование ферментативной кинетики - направление, формировавшееся между 1900 и 1970 годами,
Математическое моделирование роста популяций,
Моделирование в нейрофизиологии,
Теориядинамических систем и кибернетика.
Пионером системной биологии можно считать Людвига Фон Бeрталанфи, создателя общей теорией систем, автора книги «Общая теория систем в физике и биологии», опубликованной в 1950 году. Одной из первых численных моделей в биологии является модель британских нейрофизиологов и лауреатов нобелевской премии Ходжкина и Хаксли, опубликованной в 1952 году. Авторы создалиматематическую модель, объясняющую распространение потенциала действия вдоль аксона нейрона. Их модель описывала механизм распространения потенциала как взаимодействие между двумя различными молекулярными компонентами: каналами для калия и натрия, что можно расценить как начало вычислительной системной биологии. В 1960 году на основе модели Ходжкина и Хаксли Денис Нобл...

Системная биология

Систе́мная биоло́гия - научная дисциплина, образовавшаяся на стыке биологии и теории сложных систем . Впервые термин используется в статье 1993 года авторов W. Zieglgänsberger и TR. Tölle .

Является междисциплинарной наукой о жизни. Направлена на изучение сложных взаимодействий в живых системах. Использует новый подход в биологии: холизм вместо редукционизма . Основное внимание в системной биологии уделяется так называемым эмерджентным свойствам , то есть свойствам биологических систем, которые невозможно объяснить только с точки зрения свойств ее компонентов. Таким образом задачами системной биологии являются исследование и моделирование свойств сложных биологических систем, которые нельзя объяснить суммой свойств ее составляющих.

Широкое распространение термин «системная биология» получил после 2000-го года.

Системная биология имеет связь с математической биологией .

Значения

Системная биология может пониматься как:

Область исследований , посвященная изучению взаимодействий между составляющими биологических систем, и как эти взаимодействия приводят к появлению функций и характеристик систем (например, взаимодействие метаболитов и ферментов в метаболических системах).

Применение теории динамических систем к биологическим системам.
Соционаучный феномен , определяемый как стремление к интеграции сложных данных о взаимодействиях в биологических системах, полученных из различных экспериментальных источников, используя междисциплинарные методы.

Различие в понимании системной биологии объясняется тем фактом, что данное понятие относится скорее к совокупности пересекающихся концепций, чем к одному строго определенному направлению. Несмотря на различие в понимании целей и методов системной биологии, термин широко используется исследователями, в том числе как часть названий научных подразделений и целых институтов по всему миру.

История

Предпосылками появления системной биологии являются:

Количественное моделирование ферментативной кинетики - направление, формировавшееся между 1900 и 1970 годами,
Математическое моделирование роста популяций,
Моделирование в нейрофизиологии ,

Пионером системной биологии можно считать Людвига Фон Бeрталанфи , создателя общей теорией систем , автора книги «Общая теория систем в физике и биологии», опубликованной в 1950 году. Одной из первых численных моделей в биологии является модель британских нейрофизиологов и лауреатов нобелевской премии Ходжкина и Хаксли , опубликованной в 1952 году. Авторы создали математическую модель, объясняющую распространение потенциала действия вдоль аксона нейрона . Их модель описывала механизм распространения потенциала как взаимодействие между двумя различными молекулярными компонентами: каналами для калия и натрия, что можно расценить как начало вычислительной системной биологии . В 1960 году на основе модели Ходжкина и Хаксли Денис Нобл создал первую компьютерную модель сердечного водителя ритма .

Формально первая работа по системной биологии, как самостоятельной дисциплине, была представлена системным теоретиком Михайло Месарович в 1966 году на международном симпозиуме в Институте технологии в Кливленде (США, штат Огайо) под названием «Системная теория и биология».

В 60-х, 70-х годах двадцатого века был разработан ряд подходов для изучения сложных молекулярных систем, таких как теория контроля метаболизма и теория биохимических систем. Успехи молекулярной биологии в 80-х годах при некотором спаде интереса к теоретической биологии вообще, которая обещала больше, чем смогла достичь, привели к падению интереса к моделированию биологических систем.

Тем не менее, рождение функциональной геномики в 1990-х годах привело к доступности большого количества данных высокого качества, что совместно с бумом в развитии вычислительной техники, позволило создавать более реалистичные модели. В 1997 году группа Масару Томита опубликовала первую численную модель метаболизма целой (гипотетической) клетки. Термин «системная биология» может быть также найден в статье В. Зиглгансберга и Т. Толле, опубликованной в 1993 году. В течение 1990-х годов Б. Зенг создал ряд концепций, моделей и терминов: системная медицина (апрель 1992), системная биоинженерия (июнь 1994) и системная генетика (ноябрь 1994).

В течение 2000-х годов, когда создавались институты системной биологии в Сиэтле и Токио, системная биология вступила в полные права, будучи вовлеченной в различные геномные проекты, обрабатывая и интерпретируя данные из «-омик» (протеомика, метаболомика), помогая в интерпретации прочих высокопроизводительных экспериментов, включая биоинформатику . По состоянию на лето 2006 года в связи с нехваткой системных биологов было создано несколько учебных центров по всему миру.

Экспериментальные методы системной биологии

Для верификации создаваемых моделей системная биология работает с самыми различными типами экспериментальных данных, описывающих как отдельные составляющие, так и систему в целом. Зачастую в качестве исходной информации для формулировки гипотез и выводов используются данные, полученные в других областях биологии: биохимии , биофизики , молекулярной биологии . Тем не менее, существует ряд специфичных методов, прочно ассоциируемых с системной биологией. Эти методы характеризует большое количество экспериментальных измерений, а также одновременное детектирование многих характеристик, что стало возможным с появлением автоматизированных потоковых методик экспериментов.

Примерами таких методов могут являться:

Геномика : высокопроизводительные методы секвенирования ДНК , включая изучение вариабельности в различных клетках одного организма.
Эпигеномика/Эпигенетика : изучение факторов транскрипции , не кодируемых в ДНК (метилирование ДНК , и т. д.).
Транскриптомика: измерение экспрессии генов, используя ДНК-микрочипы и другие методы.
Интерферомика: измерение взаимодействия транскрибируемых РНК.
Протеомика /Транслатомика: измерение уровня белков или пептидов с использованием двумерного гель-электрофореза, масс-спектрометрии или многомерных методик измерения белков.
Метаболомика : измерение концентраций так называемых малых молекул, метаболитов .
Гликомика: измерение уровня углеводов .
Липидомика: измерение уровня липидов .

Кроме представленных методов измерения уровня молекул, существуют также более сложные методы, позволяющие измерять динамику характеристик во времени и взаимодействие между компонентами:

Интерактомика: измерение взаимодействий между молекулами (например, измерение белок-белковых взаимодействий: PPI).
Флаксомика: измерение динамики потоков и концентраций во времени (как правило метаболитов).
Биомика: системный анализ биома

Многие перечисленные методики в настоящее время все ещё активно развиваются как в направлении увеличения точности и информативности измерений, так и в способах численной обработки получаемых данных.

Инструменты системной биологии

Исследования в области системной биологии чаще всего заключаются в разработке механистической модели сложной биологической системы, то есть модели, сконструированной на основе количественных данных об элементарных процессах, составляющих систему .

Метаболический или сигнальный путь может быть описан математически на основе теорий ферментативной или химической кинетики . Для анализа полученных систем могут применяться математические методы нелинейной динамики , теории случайных процессов , либо использоваться теория управления .

Из за сложности объекта изучения, большого количества параметров, переменных и уравнений, описывающих биологическую систему, современная системная биология немыслима без использования компьютерных технологий. Компьютеры используются для решения систем нелинейных уравнений, изучения устойчивости и чувствительности системы, определения неизвестных параметров уравнений по экспериментальным данным. Новые компьютерные технологии оказывают существенное влияние на развитие системной биологии. В частности, использование исчисления процессов , автоматических средств поиска информации в публикациях, вычислительная лингвистика , разработка и наполнение общедоступных баз данных .

В рамках системной биологии ведется работа над созданием собственных программных средств для моделирования и универсальных языков для хранения и аннотации моделей. В качестве примера можно привести SBML, CellML (расширения XML для записи моделей), а также SBGN (язык графического представления структуры взаимодействий элементов биологических систем).

См. также

Смежные области

Примечания

The pharmacology of pain signalling. - PubMed result
Sauer, U. et al. (27 April 2007). «Getting Closer to the Whole Picture». Science 316 . DOI :10.1126/science.1142502 . PMID 17463274 .
Denis Noble The Music of Life: Biology beyond the genome. - Oxford University Press, 2006. - ISBN 978-0199295739 p21
Kholodenko B.N., Bruggeman F.J., Sauro H.M.; Alberghina L. and Westerhoff H.V.(Eds.) (2005.). "Mechanistic and modular approaches to modeling and inference of cellular regulatory networks". Systems Biology: Definitions and Perspectives , Springer-Verlag.
Hodgkin AL, Huxley AF (1952). «A quantitative description of membrane current and its application to conduction and excitation in nerve». J Physiol 117 (4): 500–544. PMID 12991237 .
Le Novere (2007). «The long journey to a Systems Biology of neuronal function». BMC Systems Biology 1 . DOI :10.1186/1752-0509-1-28 . PMID 17567903 .
Noble D (1960). «Cardiac action and pacemaker potentials based on the Hodgkin-Huxley equations». Nature 188 : 495–497. DOI :10.1038/188495b0 . PMID 13729365 .
Mesarovic M. D. Systems Theory and Biology. - Springer-Verlag, 1968.
«A Means Toward a New Holism ». Science 161 (3836): 34–35. DOI :10.1126/science.161.3836.34 .
Working the Systems . Архивировано из первоисточника 16 апреля 2012.
Gardner, TS; di Bernardo D, Lorenz D and Collins JJ (4 July 2003). «Inferring genetic networks and identifying compound of action via expression profiling». Science 301 : 102–1005. DOI :10.1126/science.1081900 . PMID 12843395 .
di Bernardo, D; Thompson MJ, Gardner TS, Chobot SE, Eastwood EL, Wojtovich AP, Elliot SJ, Schaus SE and Collins JJ (March 2005). «Chemogenomic profiling on a genome-wide scale using reverse-engineered gene networks». Nature Biotechnology 23 : 377–383. DOI :10.1038/nbt1075 . PMID 15765094 .

Wikimedia Foundation . 2010 .

Смотреть что такое "Системная биология" в других словарях:

У этого термина существуют и другие значения, см. Биология (значения). Биология (греч. βιολογία βίο, био, жизнь; др. греч. λόγος учение, наука) система наук, объектами изучения которой являются живые существа и их взаимодействие с… … Википедия

Ископаемый археоптерикс, обнаруженны … Википедия

Эта статья должна быть полностью переписана. На странице обсуждения могут быть пояснения. Общая биология (англ. General Biology … Википедия