Znanost o sistemski biologiji. Sistemska biologija

Sokolik Anatolij Josipovič,
Izredni profesor katedre celična biologija in bioinženiring
rastline
1

UVOD
Koncept "sistemske biologije", njegove različne
interpretacije in vsebine, mesto med drugim
aplikacije v biologiji, matematiki,
informacijska tehnologija in računalništvo
tehnologija.
Bioinformatika, računalniška genomika,
računalniška biologija, matematična biologija.
Sistemska biologija. Zgodba.
Sistemsko modeliranje je glavni pristop k sistemom
biologija. Analiza kompleksnih sistemov z velikimi
nizi podatkov. Osnova sistemske biologije –
matematika.
2

Sistemska biologija - v nastajanju
interdisciplinarno področje biologije, ki
analizira kompleksne biološke sisteme različnih
ravni, ki temelji na njihovi večkomponentni naravi, prisotnosti
neposredno in povratne informacije, heterogenost
eksperimentalni podatki, ki označujejo
sistemi.
Predmet raziskave - biološki sistemi iz
subcelični in celični nivo – npr.
genski regulacijski sistem, metabolizem, celični
dinamika, interakcije v celični populaciji – do
raven populacij organizmov in celotnih ekosistemov.
Metodološke osnove sistemske biologije –
matematika
3

J. Murray (James Murray) – matematik:
»Za zagotovitev nadaljnjega
razcvet tvoje znanosti,
matematiki se bodo morali učiti
biologija. Pozor, kako
se je izkazalo za koristno za matematiko
fizika in kako je nanjo vplivala
matematike postane jasno,
če se matematiki ne "vnamejo"
biološke vede, bodo preprosto ostali ob strani
znanstvena odkritja, ki obetajo
postanejo najpomembnejši in
najbolj vznemirljivo v zgodovini
znanosti"
4

Glavne uporabe matematike v
biologija
Statistika
Bioinformatika (kombinacija biologije, matematike in
računalništvo za reševanje problemov molekularne biologije,
biokemija, genetika, celična biologija, farmakologija,
zdravstvo itd. sinonim za računalništvo
molekularna biologija).
Vključuje:
· Zaporedna bioinformatika.
· Strukturna bioinformatika.
· Računalniška genomika
· Uporaba znanih analiznih metod za pridobitev
nova biološka spoznanja.
· Razvoj novih metod za analizo bioloških podatkov
· Razvoj novih baz podatkov
5

Zaporedna bioinformatika
Od 1. septembra 2015 baza podatkov EMBL (European Molecular Biology Laboratory) vsebuje
13.634.705 dokumentov z opisi 14.579.744.964
nukleotidna zaporedja, ki vsebujejo na splošno
toliko znakov (nukleotidov), ki ustreza
približno knjižnica 105 debelih zvezkov z urejeno
pisava
prevodi z uporabo znanih genetskih
kodo lahko dobite. aminokislina (beljakovine)
zaporedja.
Od 5 milijonov danes znanih beljakovin jih je 95 %.
sekvence so takšni hipotetični prevodi,
in nič več ni znanega o njih
6

Strukturna bioinformatika
Strukturna bioinformatika se ukvarja s
analiza prostorskih struktur molekul.
Znanih je samo približno 100.000 struktur
več milijonov sekvenc.
Molekularno združevanje (molekularno združevanje) -
metoda modeliranja, ki vam omogoča napovedovanje
kar najbolj koristilo za oblikovanje trajnostnega
kompleksna orientacija in položaj ene molekule
v odnosu do drugega.
7

Programi za molekularno spajanje
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)
Zlato (http://www.ccdc.cam.ac.uk/products/life_sciences/gold/)
RASTLINE (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 in 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)
VALJA (http://www.nmr.chem.uu.nl/haddock/)
8

Bioinformatika Računalniška genomika
Danes v celoti ali skoraj v celoti
zaporedja genoma mnogih organizmov, vendar to ni
sam sebi namen, a prvi korak k raziskovanju, kako
določena celica deluje
Preučevanje genomov nam omogoča, da najdemo nove presnovne poti
poti ali encimov, ki bodo uporabljeni v
biotehnološka proizvodnja (na primer vitamini in
druge biološko aktivne snovi)
Računalniška analiza do določene mere omogoča,
natančno označite več tisoč genov z uporabo
majhna skupina v približno enem tednu, medtem ko
Eksperimentalno ugotavljanje delovanja le enega
gen zahteva intenzivno delo enega laboratorija kot
vsaj nekaj mesecev
9

Bioinformatika
Uporaba znanih analiznih metod za pridobitev
nova biološka spoznanja
Obstaja veliko metod in orodij za
računalniška analiza bioloških podatkov,
predstavljeni v obliki programov na internetu in ob
priročen uporabniški vmesnik.
Za napačno vprašanje vedno da računalnik
napačen odgovor. Treba je upoštevati meje
uporabnost določenih metod.
računalniška analiza bioloških podatkov je
poskus (samo ne v epruveti) in k njemu
naložene so enake zahteve - jasnost izjave,
kontrole
10

Bioinformatika
Razvoj novih analiznih metod
biološki podatki
Razvoj novih baz podatkov
11

Matematična biologija
Matematična biologija spada med uporabne
matematiko in uporablja njene metode.
Matematična biologija preučuje biologijo
naloge in probleme z uporabo sodobnih matematičnih metod in
rezultati imajo biološko razlago
Primer - Hardy-Weinbergov zakon (za idealno
populacije),
p2+2pq+q2=1
kjer sta p in q frekvenci alelov gena

Računalniška biologija
Delno se prekriva z bioinformatiko
Področje znanosti računalniške analize genetskih
besedila, zaporedja aminokislin,
prostorska struktura in dinamika proteinov,
Ta analiza je osnova za določanje tarč makromolekul in iskanje nizkomolekularnih kompleksov z
z namenom ustvarjanja novih zdravil,
Računalniška biologija se je razvila v
hitro rastoče področje biomedicine
13

Računalniška biologija
Postopek ustvarjanja nove zdravilne spojine je lahko
razdeljen na naslednje stopnje:
(1) iskanje tarče (na primer proteina) delovanja novega
zdravila;
(2) iskanje spojine z nizko molekulsko maso, ki ima
potrebno farmakološko delovanje;
(3) eksperimentalno preučevanje te spojine;
(4) izvajanje poskusov na kliniki.
Že prva faza iskanja primernega kandidata za
zdravila je preveč
na stotine milijonov možnosti iz
primerno
baze
podatke
nizko molekulsko maso
povezave
14

Ocene računalniških potreb za dokončanje
izračun vezavne energije vseh nizko molekulskih mas
povezave, vključene v različne baze podatkov
Stopnja težavnosti
manekenstvo
Molekularna mehanika
Metoda
SPECTTOPE
Velikost
baze
140000
Čas
izračun
1 uro
Togi ligand/tarča
LUDI
30000
1-4 ure
Molekularna mehanika
Hammerhead 80000
Delno
deformabilen
DOK
ligand
Težka tarča
DOK
Molekularna mehanika
Molekularna mehanika
Kvantna mehanika
aktivno mesto
ICM
3-4 dni
17000
3-4 dni
53000
14 dni
50000
21 dan
JANTAR,
1
ČAR
Gaussian, Q1
Chem
nekaj
dnevi
nekaj
tedne
15

Zmogljivost superračunalnika
Ime
flops
kiloflopov
megaflopov
gigaflopov
teraflopov
petaflops
eksaflops
zetaflops
yottaflops
xeraflops
leto
1941
1949
1964
1987
1997
2008
2019 ali kasneje
ne prej kot leta 2030
-
flops
100
103
106
109
1012
1015
1018
1021
1024
1027
16

Najmočnejši superračunalnik na svetu danes
Tianhe-2 ( mlečna cesta 2)
2013. 200-300
milijoni
dolarjev.
1300 znanstvenikov in
inženirji
delal naprej
ustvarjanje Tianhe2, "Milky Way2". Stojala: 125
Jedra: 3120000
Produktivnost
b: 33862,7 TFlop/s
Moč: 17808.0
0 kW
Pomnilnik: 1024000 GB
17

Sistemska biologija - aktivno se razvija
interdisciplinarno področje znanosti, ki analizira kompleksne
bioloških sistemov, ob upoštevanju njihove večkomponentne narave, prisotnost
povezave naprej in nazaj, pa tudi heterogenost in velika
količino eksperimentalnih podatkov. Predmet raziskave
na tem področju lahko obstaja sistem regulacije genov,
presnovo, pa tudi celično dinamiko in interakcije v
celične populacije
(Biokemik lahko določi encime in produkte cikla
Krebsa, vendar izračunajte dinamiko sprememb njihove koncentracije
lahko le sistemski biolog.)
Bistveno načelo za sistemsko biologijo
je »holizem«, ki naj nadomesti
"redukcionizem".
18

Sistemska biologija
Redukcionistični pristop predpostavlja, da lastnosti
lahko dobimo le kompleksen večkomponentni sistem
pri obravnavi njegovega posameznika
Descartes je to trdil
komponente.
živali so lahko
na primer
"razložen" kot celota
delovanje posameznih strojev
fiziološki
- De homine, 1662.
funkcije organizma
bo postalo jasno
le s podrobnostmi
poznajoč ga
posamezne celice.
19

Holističen pristop
nakazuje, da lastnosti kompleksnih
večkomponentni sistem ni mogoč
predstavljajo kot vsoto lastnosti njegovega posameznika
komponento.
Na primer, fiziološke funkcije telesa »ne
zaznavno«, če upoštevamo njegovega posameznika
celice.
20

Sistemska biologija
Glavna naloga sistemske biologije, ki ni
seka z bioinformatiko – to je modeliranje
lastnosti dinamičnih bioloških sistemov z diskretnimi
(z okvirji) in neprekinjen čas (velik
del biosistemov).
Na splošno so biološki sistemi neravnovesni (odprti, so
nenehno izmenjuje energijo in snov z okoljem) in
nelinearni (spremembe njihovega stanja niso popolne
določen s prejšnjim).
Zato se zanje uporabljajo posebne metode analize
in opisi (nelinearna dinamika).
21

Sistemska biologija
Predpogoji za nastanek sistemske biologije
so:
- Kvantitativno encimsko modeliranje
kinetika – smer, ki nastane med
1900 in 1970,
- matematično modeliranje rasti prebivalstva,
- modeliranje v nevrofiziologiji,
- Teorija dinamičnih sistemov in kibernetika.
22

Razvoj sistemske biologije:
Organizacijska in sistemska teorija
Bogdanova - nenavadno, beloruski znanstvenik in
revolucionar iz Grodna - Alexander Malinovsky
(psevdonim Bogdanov - eden od ustvarjalcev in voditeljev
RSDLP, skupaj z Leninom). Izjemen filozof
napisal več velikih del o tektologiji,
znanost, ki jo je uvedel in razkriva en sam princip
naprava, organizacija in vodenje bioloških in
nebiološki sistemi. On je bil tisti, ki je predstavil pojme
odprtost biološkega sistema, njegovo
samoregulacija, samoorganizacija,
»samokomplikacije«, možnosti
zmanjšanje entropije, zaradi česar številni
takšni sistemi imajo celostne lastnosti.
Malinovsky/Bogdanov - priznani ustanovitelj fundacij
sistemska biologija, bioinformatika in kibernetika.
23

Carl Ludwig von Bertalanffy
glavni popularizator sistemske teorije
v ZDA. Predvsem izposojeno in
razvijal ideje v matematiki sistemov.
Splošno znan kot "oče" skupnega
sistemska teorija.
Teoretično utemeljil, da termodinam
klasični zakoni (ohranjanje energije in mase ter
povečanje entropije) »ne delujejo«, ko
upoštevanje bioloških sistemov
24

Odprti sistemi po Bertalanffyju – lahko sprejmejo več energije kot
daj proč. Izboljšujejo se v skladu z načelom, ki je lastno njim
organiziranost, samoregulacija in samoupravljanje. V primeru biologije - naprej
osnovo genetske kode in njeno izvedbo (fenom) v mejah
ki jih dajejo ti pogoji obstoja.
25

Faze razvoja sistemske biologije:
Bertalanffyjev model biološke rasti
Najlažji diferencialna enačba(enačba za opis
dinamični procesi - znani parametri se nadomestijo in njihovi
razmerja, tj. koeficientov, kar vam omogoča iskanje neznank
parametrov, ki nas zanimajo, in na podlagi tega zgradimo tudi graf
nastavite neznane parametre).
Enačba za spremembe dolžine (poljubne velikosti) skozi čas:
L – dolžina, t – čas
rB – hitrost rasti po Bertfalanffy Loo – največja dolžina organizma.
Dodatni koeficienti (niso navedeni zgoraj) – razpoložljivost hrane,
presnovna raven, faza ontogeneze itd. Pomagajo natančneje
izračunati spremembo višine skozi čas. Model je v uporabi še danes.
26

Eden prvih modelov, v katerem je bil rešen problem fiziologije, je bil
distribucijski model živčni impulz(akcijski potencial),
ustvarila A. Hodgkin in E. Huxley za akson lignjev (1952)
Leta 1960 je Denis Noble ustvaril prvi model celic srčnega spodbujevalnika v srcu -
matematični model srčnega ritma.
Uradno priznanje sodobne sistemske biologije kot ločene
znanosti se nanašajo na mednarodni simpozij v Clevelandu
leta 1966 pod naslovom "Teorija sistemov in biologija" - Teorija sistemov
in biologije.
V 1960-70 letih so se razvili prvi presnovni modeli – modeli
encimske mreže in njihove aktivnosti. Teorije metabolizma
nadzor, negativne in pozitivne povratne informacije za regulacijo,
Pojavili so se prvi razpoložljivi računalniški modeli za proteinske strukture.
27

1980: Med hitrim razvojem molekularne biologije,
modeliranje je bilo pozabljeno, zlasti odkar so biologi razvili skepticizem do tega
vsemogočnosti matematike in fizike so bili računalniki nizke moči in ne
omogočila izračune, potrebne za biologe.
Od zgodnjih 90. let, tako imenovane dobe genomike, ko
prvi ogromni nizi nukleotidov in aminokislin
sekvenc je potreba po njihovi analizi privedla do novega hitrega
krog razvoja sistemske biologije.
Preboj v hitrosti in dostopnosti računalniške tehnologije (1990-2000) je pritegnil vse več programerji,
matematikov in teoretičnih fizikov v biologijo.
Po letu 2000 se je pojavila -omika – družina ved, ki je ustvarjala
potrebo po obdelavi ogromnih količin bioloških podatkov.
28

- Fenomika: variacije fenotipa in njegove spremembe skozi življenje
cikel.
- Genomika: zaporedja DNK organizmov ali celic. Opomba,
kartiranje in analiza genov, eksonov (kodiranje) in intronov (nekodiranje),
druga področja.
- Epigenomika / Epigenetika: transkriptomska regulacija,
negenomsko kodirane, kot je metilacija DNA oz
acetilacija histona.
- Transkriptomika: merjenje sprememb v izražanju posameznih genov
z uporabo "mikromrež DNK" (čipov DNK).
- Interferomika: znanje o mehanizmih in raznolikosti sistemov
»popravki« prepisov, na primer interferenca RNA.
29

Sorodne discipline (in njihovi predmeti), od katerih,
zbirajo in analizirajo se predvsem podatki
v bioinformatiki in sistemski biologiji:
- Proteomika (v prevodu - redkejše ime): meritve
proteinov in peptidov z uporabo dvodimenzionalne gelske elektroforeze v
kombinacije z masno spektrometrijo, HPLC in drugimi detektorji.
Razdeljen na fosfoproteomike, glikoproteomike, membrane in
endomembranski protemiks in druge vrste.
- Metabolomika: razmerje merjenja, raznolikost in
porazdelitev, kot tudi razmerja s telesnimi funkcijami majhnih molekul
(tako imenovani metaboliti), ki niso povezani z biopolimeri.
- Glikomika: mersko razmerje, raznolikost in porazdelitev ter
tudi povezave s telesnimi funkcijami ogljikovih hidratov.
30

Sorodne discipline (in njihovi predmeti), od katerih,
zbirajo in analizirajo se predvsem podatki
v bioinformatiki in sistemski biologiji:
- Lipidomika: merilno razmerje, raznolikost in porazdelitev,
kot tudi povezave s funkcijami telesnih lipidov.
- Interaktomika: merjenje in analiziranje interakcij med
molekule, kemične reakcije. Na primer, beljakovine-beljakovine
interakcije.
- Nevroelektrodinamika: analiza organizacije in delovanja nevronov kot
dinamični sistem, ki je sposoben obdelave informacij, ko
z uporabo električnih signalov.
- Ionomika in flaksomika: področji, ki preučujeta dejavnosti in
porazdelitev ionov oziroma njihovih tokov.
- Biomika: sistemska analiza bioma (manifestacije življenja - pojavi
neločljivo samo za žive sisteme).
31

Orodja sistemske biologije
Najpogosteje gre za raziskave s področja sistemske biologije
so razviti model kompleksne biološke
sistem, torej model, zgrajen na osnovi
kvantitativne podatke o elementarnih procesih,
komponente sistema.
Za analizo nastalih sistemov se lahko uporabijo
matematične metode nelinearne dinamike, teorije
naključnih procesov ali teorije uporabe
upravljanje.
Zaradi kompleksnosti predmeta študija je veliko število
parametrov, spremenljivk in enačb, ki opisujejo
biološki sistem, sodobna sistemska biologija
nepredstavljivo brez uporabe računalniške tehnologije
32

National Science Foundation (NSF) je neke vrste fundacija
Temeljne raziskave ZDA
Med nalogami biologije 21. stoletja je postavil
resen izziv za sistemsko biologijo –
grajenje modela delovanja celote
celice. Ta problem je do neke mere že rešen.
33

Karr J.R., Sanghvi J.C.,
Macklin D.N., Gutschow
M.V., Jacobs J.M., Bolival
B., Assad-Garcia N.,
Glass J.I., prikriti M.W.
(2012).
Celotna celica
Računalniški model
Napoveduje fenotip
iz genotipa.
Celica 150, 389–401;
Model celice Mycoplasma genitalium kot celote, ki jo sestavlja 28
podmodeli različnih celičnih procesov. Podmodeli združeni
po kategorijah: DNK, RNK, proteini in metabolizem. Podmodeli so med seboj povezani
drug drugega preko skupnih metabolitov, RNK, proteinov in kromosomske DNK, ki
prikazano s puščicami ustreznih barv.

• Sistemska biologija - interdisciplinarna znanstvena smer, ki je nastala na stičišču biologije in teorije kompleksnih sistemov, se je osredotočila na študij kompleksnih interakcij v živih sistemih. Izraz je bil prvič uporabljen v članku iz leta 1993 W. Zieglgänsbergerja in TR. Tölle. Izraz "sistemska biologija" se je razširil po letu 2000.

  Oblikuje nov pristop k razlagi rezultatov v biologiji 21. stoletja namesto redukcionizma, tradicionalnega za biologijo preteklih stoletij, takšen nov pristop pa trenutno v angleščini označujemo z izrazoma holizem in integracija. integracijizem). Glavna pozornost v sistemski biologiji je namenjena tako imenovanim pojavnim lastnostim, to je lastnostim bioloških sistemov, ki jih ni mogoče razložiti le z lastnostmi njegovih komponent.

  Razumevanje biologije na sistemski ravni omogoča natančnejše razumevanje strukture, dinamike in delovanja tako posamezne celice kot organizma kot celote kot pri obravnavanju posameznih delov celice ali organizma.

  Sistemska biologija je tesno povezana z matematično biologijo.

Sorodni pojmi

Teoretična fizika je veja fizike, v kateri je glavni način razumevanja narave ustvarjanje teoretičnih (predvsem matematičnih) modelov pojavov in njihova primerjava z realnostjo. V tej formulaciji teoretična fizika je samostojna metoda proučevanja narave, čeprav je njena vsebina seveda oblikovana ob upoštevanju rezultatov poskusov in opazovanj narave.

NeuroNet (angleško: NeuroNet, NeuroWeb, Brainet) ali Web 4.0 je ena od predlaganih stopenj razvoja svetovnega spleta, v kateri bo interakcija udeležencev (ljudi, živali, inteligentni agenti) potekala po principih nevrokomunikacije. Po napovedih naj bi nadomestil Web 3.0 približno v letih 2030-2040. Eden ključnih trgov, izbranih za razvoj v okviru Ruske nacionalne tehnološke pobude.

"Sistemska biologija"

Uvod
Prvi poskusi uporabe teorije sistemov v biologiji segajo v 30. leta 20. stoletja. Tako je Walter Cannon, dekan oddelka za fiziologijo na Univerzi Harvard, leta 1932 v svoji knjigi »Modrost telesa« z izrazom »homeostaza« opisal sposobnost organizmov, da vzdržujejo telo. velika številka fiziološke vrednosti na konstantni ravni, kljub stalnim spremembam okoljskih pogojev. Leta 1943 so ameriški matematik Norbert Wiener in njegovi soavtorji predlagali, da bi negativne povratne informacije lahko igrale osrednjo vlogo pri ohranjanju stabilnosti živih sistemov, s čimer bi koncepte nadzora in optimuma povezali z dinamiko bioloških sistemov. IN Zadnja leta Zanimanje za sistemski pristop v biologiji je povzročil preboj v tehnologijah sekvenciranja in posledično dešifriranja genomov, transkriptomov in proteomov človeka in drugih organizmov. Razpoložljivost zmogljivih računalniških virov (superračunalnikov) in hitrih internetnih povezav je močno olajšala tudi dostop do ogromnih količin molekularno bioloških podatkov in omogočila njihovo analizo, kar je v veliki meri postalo osnova sodobne sistemske biologije. O aktivnem razvoju tega področja biologije v Zadnje čase Naslednje dejstvo pravi: število člankov, ki so bili poslani v Pub med in vsebujejo besedno zvezo "sistemska biologija", se je povečalo s 140 leta 2003 na več kot 10.000 leta 2013 (Afonnikov D.A., Mironova V.V., 20141).

Splošne informacije
Sistemska biologija je aktivno razvijajoče se interdisciplinarno področje znanosti, ki analizira kompleksne biološke sisteme ob upoštevanju njihove večkomponentne narave, prisotnosti neposrednih in povratnih povezav ter heterogenosti eksperimentalnih podatkov. Predmet raziskovanja na tem področju je lahko sistem genske regulacije, metabolizma, pa tudi celične dinamike in interakcij celične populacije.
Sistemska biologija trenutno vključuje tako specifične eksperimentalne tehnike kot tudi bogat teoretični arzenal. Modeliranje v sistemski biologiji je temeljno orodje tako za analizo in integracijo eksperimentalnih podatkov kot za napovedovanje obnašanja sistema v neeksperimentalnih pogojih.
Številne metode in pristope teoretične sistemske biologije je mogoče neposredno uporabiti za praktične probleme v farmakologiji in bioindustriji. Zlasti, če je treba kvantitativno opisati in napovedati vedenje kompleksnega presnovnega ali celičnega sistema ali optimizirati njegovo delovanje, sistemsko biološki model postane edina alternativa dragemu naključnemu iskanju z uporabo kompleksnih eksperimentalnih tehnik.

Zgodba
Predpogoji za nastanek sistemske biologije so:

Kvantitativno modeliranje kinetike encimov je področje, ki se je pojavilo med letoma 1900 in 1970.
Matematično modeliranje rasti prebivalstva,
Modeliranje v nevrofiziologiji,
Teorija dinamičnih sistemov in kibernetika.
Za pionirja sistemske biologije lahko štejemo Ludwiga von Bertalanffyja, ustvarjalca splošne teorije sistemov, avtorja knjige » Splošna teorija sistemi v fiziki in biologiji", objavljen leta 1950. Eden prvih numeričnih modelov v biologiji je leta 1952 objavljen model britanskih nevrofiziologov in Nobelovih nagrajencev Hodgkina in Huxleyja. Avtorji so ustvarili matematični model, ki pojasnjuje širjenje akcijskega potenciala vzdolž aksona nevrona. Njihov model je opisal mehanizem potencialnega širjenja kot interakcijo med dvema različnima molekularnima komponentama: kalijevimi in natrijevimi kanali, kar lahko štejemo za začetek biologije računalniških sistemov. Leta 1960 je Denis Noble po vzoru Hodgkina in Huxleyja...

Sistemska biologija

Sistemska biologija- znanstvena disciplina, ki je nastala na stičišču biologije in teorije kompleksnih sistemov. Izraz je bil prvič uporabljen v članku iz leta 1993 W. Zieglgänsbergerja in TR. Tölle.

Je interdisciplinarna znanost o življenju. Namenjen preučevanju kompleksnih interakcij v živih sistemih. Ima nov pristop k biologiji: holizem namesto redukcionizma. Glavni poudarek sistemske biologije je na tako imenovanih pojavnih lastnostih, torej lastnostih bioloških sistemov, ki jih ni mogoče razložiti samo z lastnostmi njegovih komponent. Tako so naloge sistemske biologije preučevanje in modeliranje lastnosti kompleksnih bioloških sistemov, ki jih ni mogoče razložiti z vsoto lastnosti njegovih komponent.

Izraz "sistemska biologija" se je razširil po letu 2000.

Sistemska biologija je povezana z matematično biologijo.

Vrednote

Sistemsko biologijo lahko razumemo kot:

• Področje raziskave, ki se posveča proučevanju interakcij med komponentami bioloških sistemov in kako te interakcije vodijo do nastanka funkcij in značilnosti sistemov (na primer interakcija metabolitov in encimov v presnovnih sistemih).

• Uporaba teorije dinamičnih sistemov v bioloških sistemih.
• Družbenoznanstveni fenomen, definiran kot prizadevanje za integracijo kompleksnih podatkov o interakcijah v bioloških sistemih, pridobljenih iz različnih eksperimentalnih virov z uporabo interdisciplinarnih metod.

Razliko v razumevanju sistemske biologije pojasnjujejo s tem, da ta koncept se nanaša na zbirko križajočih se konceptov in ne na eno strogo določeno smer. Kljub razlikam v razumevanju ciljev in metod sistemske biologije izraz raziskovalci pogosto uporabljajo, tudi kot del imen znanstvenih oddelkov in celih inštitutov po svetu.

Zgodba

Predpogoji za nastanek sistemske biologije so:

• Kvantitativno modeliranje kinetike encimov je področje, ki se je pojavilo med letoma 1900 in 1970.
• Matematično modeliranje rasti prebivalstva,
• Modeliranje v nevrofiziologiji,

Za pionirja sistemske biologije lahko štejemo Ludwiga von Bertalanffyja, ustvarjalca splošne teorije sistemov, avtorja knjige "Splošna teorija sistemov v fiziki in biologiji", objavljene leta 1950. Eden prvih numeričnih modelov v biologiji je tisti britanskih nevrofiziologov in Nobelovih nagrajencev Hodgkina in Huxleyja, objavljen leta 1952. Avtorji so ustvarili matematični model za razlago širjenja akcijskega potenciala vzdolž nevronskega aksona. Njihov model je opisal mehanizem potencialnega širjenja kot interakcijo med dvema različnima molekularnima komponentama: kalijevimi in natrijevimi kanali, kar lahko štejemo za začetek biologije računalniških sistemov. Leta 1960 je Denis Noble na podlagi Hodgkinovega in Huxleyjevega modela ustvaril prvi računalniški model srčnega spodbujevalnika.

Formalno je prvo delo o sistemski biologiji kot samostojni disciplini predstavil sistemski teoretik Mihailo Mesarovic leta 1966 na mednarodnem simpoziju na Cleveland Institute of Technology (ZDA, Ohio) z naslovom “Sistemska teorija in biologija”.

V šestdesetih in sedemdesetih letih 20. stoletja so bili razviti številni pristopi za preučevanje kompleksnih molekularnih sistemov, kot sta teorija presnovnega nadzora in teorija biokemičnih sistemov. Uspehi molekularne biologije v 80. letih so skupaj z rahlim upadom zanimanja za teoretično biologijo nasploh, ki je obljubljala več, kot je lahko dosegla, povzročili upad zanimanja za modeliranje bioloških sistemov.

Vendar pa je rojstvo funkcionalne genomike v devetdesetih letih povzročilo razpoložljivost velikih količin podatkov Visoka kvaliteta, ki je skupaj z razmahom razvoja računalniške tehnologije omogočil ustvarjanje bolj realističnih modelov. Leta 1997 je skupina Masaru Tomita objavila prvi numerični model presnove celotne (hipotetične) celice. Izraz "sistemska biologija" najdemo tudi v članku W. Zieglgansberga in T. Tolleja, objavljenem leta 1993. V devetdesetih letih je B. Zeng ustvaril vrsto konceptov, modelov in izrazov: sistemska medicina (april 1992), sistemski bioinženiring (junij 1994) in sistemska genetika (november 1994).

V letu 2000, z ustanovitvijo inštitutov za sistemsko biologijo v Seattlu in Tokiu, se je sistemska biologija začela uveljavljati, saj je bila vključena v različne genomske projekte, obdelovala in interpretirala podatke iz »-omike« (proteomika, metabolomika) in pomagala interpretirati druge visoke -prepustnost eksperimentov, vključno z bioinformatiko. Od poletja 2006 je zaradi pomanjkanja sistemskih biologov več centri za usposabljanje Po vsem svetu.

Eksperimentalne metode v sistemski biologiji

Za preverjanje ustvarjenih modelov največ dela sistemska biologija različne vrste eksperimentalni podatki, ki opisujejo posamezne komponente in sistem kot celoto. Pogosto se podatki, pridobljeni na drugih področjih biologije: biokemije, biofizike, molekularne biologije, uporabljajo kot začetne informacije za oblikovanje hipotez in sklepov. Vendar pa obstajajo številne specifične metode, ki so močno povezane s sistemsko biologijo. Za te metode je značilno veliko število eksperimentalnih meritev, pa tudi hkratno zaznavanje številnih karakteristik, kar je postalo mogoče s pojavom avtomatiziranih pretočnih eksperimentalnih tehnik.

Primeri takih metod so lahko:

• Genomika: Visokozmogljive tehnike zaporedja DNK, vključno s preučevanjem variabilnosti v različnih celicah enega samega organizma.
• Epigenomika/epigenetika: preučevanje transkripcijskih faktorjev, ki niso kodirani v DNK (metilacija DNK itd.).
• Transkriptomika: merjenje izražanja genov z uporabo mikromrež DNA in drugih metod.
• Interferomika: merjenje interakcij transkribiranih RNA.
• Proteomika/translatomika: Merjenje ravni beljakovin ali peptidov z uporabo dvodimenzionalne gelske elektroforeze, masne spektrometrije ali večdimenzionalnih tehnik merjenja beljakovin.
• Metabolomika: merjenje koncentracij tako imenovanih majhnih molekul, metabolitov.
• Glycomics: Merjenje ravni ogljikovih hidratov.
• Lipidomika: merjenje ravni lipidov.

Poleg predstavljenih metod za merjenje nivoja molekul obstajajo tudi bolj zapletene metode, ki vam omogočajo merjenje dinamike značilnosti skozi čas in interakcije med komponentami:

• Interaktomika: merjenje interakcij med molekulami (npr. merjenje interakcij protein-protein: PPI).
• Flaksomika: merjenje dinamike tokov in koncentracij skozi čas (običajno metabolitov).
• Biomika: sistemska analiza bioma

Številne od naštetih tehnik se trenutno še aktivno razvijajo tako v smeri povečanja natančnosti in informativnosti meritev kot tudi v metodah numerične obdelave pridobljenih podatkov.

Orodja sistemske biologije

Raziskave na področju sistemske biologije so največkrat sestavljene iz razvijanja mehanični model kompleksen biološki sistem, to je model, zgrajen na podlagi kvantitativnih podatkov o elementarnih procesih, ki sestavljajo sistem.

Presnovno ali signalno pot je mogoče opisati matematično na podlagi teorij encimske ali kemične kinetike. Za analizo nastalih sistemov se lahko uporabijo matematične metode nelinearne dinamike, teorije naključnih procesov ali teorije vodenja.

Zaradi kompleksnosti predmeta proučevanja, velikega števila parametrov, spremenljivk in enačb, ki opisujejo biološki sistem, si sodobne sistemske biologije ni mogoče zamisliti brez uporabe računalniške tehnologije. Računalniki se uporabljajo za reševanje sistemov nelinearne enačbe, proučevanje stabilnosti in občutljivosti sistema, določanje neznanih parametrov enačb iz eksperimentalnih podatkov. Nove računalniške tehnologije pomembno vplivajo na razvoj sistemske biologije. Predvsem uporaba procesnega računa, avtomatsko iskanje informacij v publikacijah, računalniško jezikoslovje, razvoj in polnjenje javno dostopnih baz podatkov.

V okviru sistemske biologije poteka delo za ustvarjanje lastne programsko opremo za modeliranje in splošni jeziki za shranjevanje in označevanje modelov. Primeri vključujejo SBML, CellML (XML razširitve za snemanje modelov), kot tudi SBGN (jezik za grafično predstavitev strukture interakcij med elementi bioloških sistemov).

Poglej tudi

Povezana področja

Opombe

1. Farmakologija signalizacije bolečine. - PubMed rezultat
2. Sauer, U. et al. (27. april 2007). "Približevanje celotni sliki". Znanost 316 . DOI:10.1126/science.1142502. PMID 17463274.
3. Denis Noble Glasba življenja: biologija onkraj genoma. - Oxford University Press, 2006. - ISBN 978-0199295739 str21
4. Kholodenko B.N., Bruggeman F.J., Sauro H.M.; Alberghina L. in Westerhoff H. V. (ur.) (2005). "Mehanistični in modularni pristopi k modeliranju in sklepanju celičnih regulacijskih omrežij". Sistemska biologija: definicije in perspektive, Springer-Verlag.
5. Hodgkin AL, Huxley AF (1952). "Kvantitativni opis membranskega toka in njegovo uporaba pri prevajanju in vzbujanju v živcu". J Physiol 117 (4): 500–544. PMID 12991237.
6. Le Novere (2007). "Dolgo potovanje do sistemske biologije delovanja nevronov". Sistemska biologija BMC 1 . DOI: 10.1186/1752-0509-1-28. PMID 17567903.
7. Žlahtni D (1960). "Srčno delovanje in potenciali srčnega spodbujevalnika na podlagi Hodgkin-Huxleyevih enačb." Narava 188 : 495–497. DOI:10.1038/188495b0. PMID 13729365.
8. Mesarovič M. D. Teorija sistemov in biologija. - Springer-Verlag, 1968.
9. "Sredstvo za nov holizem". Znanost 161 (3836): 34–35. DOI:10.1126/science.161.3836.34.
10. Delovanje sistemov. Arhivirano iz izvirnika 16. aprila 2012.
11. Gardner, T.S.; di Bernardo D, Lorenz D in Collins JJ (4. julij 2003). "Sklepanje genetskih mrež in prepoznavanje učinkovin prek profiliranja izražanja." Znanost 301 : 102–1005. DOI:10.1126/science.1081900. PMID 12843395.
12. di Bernardo, D; Thompson MJ, Gardner TS, Chobot SE, Eastwood EL, Wojtovich AP, Elliot SJ, Schaus SE in Collins JJ (marec 2005). "Kemogenetsko profiliranje na ravni celotnega genoma z uporabo reverzno inženirskih genskih mrež." Naravna biotehnologija 23 : 377–383. DOI: 10.1038/nbt1075. PMID 15765094.

Fundacija Wikimedia. 2010.

Poglejte, kaj je "sistemska biologija" v drugih slovarjih:

Ta izraz ima druge pomene, glejte Biologija (pomeni). Biologija (grško: βιολογία βίο, bio, življenje; drugo grško: λόγος nauk, znanost) sistem znanosti, katerega predmet proučevanja so živa bitja in njihova interakcija z ... ... Wikipedia

Odkrit fosil arheopteriksa ... Wikipedia

Ta članek je treba v celoti prepisati. Na pogovorni strani so lahko pojasnila. Splošna biologija (angl. General Biology ... Wikipedia