≡× MENÜ

• Vízellátás
• Szivattyúk
• Víz tisztítás
• Wells
• Szűrők

A rendszerbiológia tudománya. Science Systems Biology Science Systems Biology

Szokolik Anatolij Iosifovich,
egyetemi docens sejtbiológia és biomérnökség
növények
1

BEVEZETÉS
A „rendszerbiológia” fogalma, annak különféle
értelmezések és tartalom, többek között hely
biológia matematikai alkalmazások,
informatika és számítógép
technológia.
Bioinformatika, számítógépes genomika,
számítógépes biológia, matematikai biológia.
Rendszerbiológia. Történelem.
A rendszermodellezés a rendszerek fő megközelítése
biológia. Komplex rendszerek elemzése nagy
adattömbök. A rendszerbiológia alapjai
matematika.
2

Rendszerbiológia - fejlesztés
a biológia interdiszciplináris területe, hogy
különböző komplex biológiai rendszereket elemzi
szinten többkomponensű jellegük, a jelenlétük alapján
közvetlen és visszacsatoló kapcsolatok, heterogenitás
kísérleti adatok jellemzik
rendszerek.
A kutatás tárgya a biológiai rendszerek
szubcelluláris és sejtszintek, pl.
génszabályozási rendszer, anyagcsere, sejt
dinamika, kölcsönhatások a sejtpopulációban - ig
élőlénypopulációk és teljes ökoszisztémák szintjét.
A rendszerbiológia módszertani alapjai -
matematika
3

J. Murray (James Murray) - matematikus:
„A további biztosítása érdekében
tudományuk virágzását,
a matematikusoknak meg kell tenniük
biológia. Emlékezve, hogyan
hasznos a matematika számára
a fizika és hogyan befolyásolta azt
matematikából világossá válik,
ha a matematikusok nem "férnek bele".
biológiai tudományok, egyszerűen távol maradnak
ígéretes tudományos felfedezések
a legfontosabbakká válnak
izgalmas a történelemben
tudományok"
4

A matematika főbb alkalmazásai
biológia
Statisztika
Bioinformatika (biológia, matematika és
informatika a molekuláris biológia problémák megoldásához,
biokémia, genetika, sejtbiológia, farmakológia,
egészségügy stb. a számítástechnika szinonimája
molekuláris biológia).
Magába foglalja:
Sorozatok bioinformatikája.
· Strukturális bioinformatika.
· Számítógépes genomika
Ismert elemzési módszerek alkalmazása a megszerzéséhez
új biológiai ismeretek.
Új módszerek kidolgozása biológiai adatok elemzésére
· Új adatbázisok fejlesztése
5

Sorozatok bioinformatikája
2015. szeptember 1-től az EMBL adatbázis (European Molecular Biology Laboratory) tárolja
13 634 705 leíró dokumentum 14 579 744 964
általánosságban tartalmazó nukleotidszekvenciák
ahány karakter (nukleotid).
körülbelül 105 vastag kötetből álló könyvtár kompakt
betűtípus
transzláció ismert genetikailag
kód beszerezhető. aminosavak (fehérje)
sorozatok.
A ma ismert 5 millió fehérje 95%-a
a szekvenciák ilyen hipotetikus fordítók,
és semmi mást nem tudni róluk.
6

Strukturális bioinformatika
A strukturális bioinformatika foglalkozik
molekulák térszerkezetének elemzése.
Csak körülbelül 100 000 szerkezet ismeretes
több millió szekvencia.
Molekuláris dokkolás (molekuláris dokkolás) -
modellezési módszer, amely lehetővé teszi az előrejelzést
a legelőnyösebb a fenntartható kialakulásához
egy molekula összetett orientációja és helyzete
a másikhoz képest.
7

Molekuláris dokkoló programok
AutoDock (http://autodock.scriptps.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)
Arany (http://www.ccdc.cam.ac.uk/products/life_sciences/gold/)
NÖVÉNYEK (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 és 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

Bioinformatika Számítógépes genomika
Ma már teljes vagy majdnem kész
számos organizmus genomszekvenciája, de ez nem az
önmagában véget ér, de az első lépés annak feltárásához, hogyan
egyik vagy másik sejt működik
A genomok tanulmányozása lehetővé teszi számunkra, hogy új anyagcserét találjunk
utakat vagy enzimeket alkalmaznak
biotechnológiai termelés (például vitaminok és
egyéb biológiailag aktív anyagok)
A számítógépes elemzés bizonyos mértékig lehetővé teszi
pontosan jellemezni több ezer gént az erők
kis csoport körülbelül egy hét alatt, míg
Csak egy funkciójának kísérleti meghatározása
gén egy laboratórium intenzív munkáját igényli, mint
legalább néhány hónapig
9

bioinformatika
Ismert elemzési módszerek alkalmazása a megszerzéséhez
új biológiai ismeretek
Számos módszer és eszköz létezik erre
biológiai adatok számítógépes elemzése,
programok formájában mutatják be az interneten és rendelkeznek
kényelmes felhasználói felület.
A rossz kérdésre a számítógép mindig ad
rossz válasz. A határokat figyelembe kell venni
egyes módszerek alkalmazhatósága.
a biológiai adatok számítógépes elemzése
kísérlet (csak nem kémcsőben történik) és hozzá
ugyanazokat a követelményeket támasztják - a nyilatkozat egyértelműsége,
vezérlők
10

bioinformatika
Új elemzési módszerek kidolgozása
biológiai adatok
Új adatbázisok fejlesztése
11

matematikai biológia
A matematikai biológia az alkalmazottra vonatkozik
matematikát és annak módszereit használja.
A matematikai biológiában biológiai
feladatok és problémák a modern matematika módszereivel, ill
az eredményeknek biológiai értelmezése van
Példa erre a Hardy-Weinberg törvény (az ideálra
populációk),
p2+2pq+q2=1
ahol p és q a gén allélgyakoriságai

Számítógépes biológia
Részben átfedésben van a bioinformatikával
A genetikai számítógépes elemzés tudományterülete
szövegek, aminosav szekvenciák,
a fehérjék térszerkezete és dinamikája,
Ez az elemzés alapozza meg a célmakromolekulák meghatározását és a kis molekulatömegű komplexek keresését.
új gyógyszerek kifejlesztésére,
A számítási biológia lett
a biomedicina gyorsan növekvő területe
13

Számítógépes biológia
Az új gyógyszervegyület létrehozásának folyamata lehet
a következő lépésekre osztva:
(1) egy új hatásának célpontja (például fehérje) keresése
gyógyszerek;
(2) keressen egy kis molekulatömegű vegyületet
a kívánt farmakológiai hatás;
(3) ennek a vegyületnek a vizsgálata egy kísérletben;
(4) klinikai vizsgálatok lefolytatása.
Már az első szakasza a megfelelő jelölt keresésének
gyógyszer - túlzás
több száz millió opció
ide vonatkozó
bázisok
adat
alacsony molekulatömeg
kapcsolatokat
14

A teljes számítási igény becslése
minden kis molekulatömegű kötési energia kiszámítása
különböző adatbázisokban található kapcsolatokat
Nehézségi szint
modellezés
Molekuláris mechanika
Módszer
SPECTTOPE
A méret
bázisok
140000
Idő
számítás
1 óra
Merev ligandum/célpont
LUDI
30000
1-4 óra
Molekuláris mechanika
Hammerhead 80000
Részben
deformálható
DOKK
ligandum
nehéz célpont
DOKK
Molekuláris mechanika
Molekuláris mechanika
kvantummechanikai
aktív oldal
ICM
3-4 nap
17000
3-4 nap
53000
14 nap
50000
21 nap
borostyán,
1
BÁJ
Gauss, Q1
Chem
néhány
napok
néhány
hétig
15

Szuperszámítógép teljesítménye
Név
bukott
kiloflop
megaflops
gigaflops
teraflops
petaflops
exaflops
zettaflops
yottaflops
xeraflops
év
1941
1949
1964
1987
1997
2008
2019 vagy később
legkorábban 2030
-
bukott
100
103
106
109
1012
1015
1018
1021
1024
1027
16

A mai világ legerősebb szuperszámítógépe
Tianhe-2 (Tejút 2)
2013. 200-300
millió
dollárt.
1300 tudós és
mérnökök
dolgozott rajta
a Tianhe2, a "Tejút2" létrehozása. Állványok: 125
Magok: 3120000
Termelékenység
b: 33862,7 TFlop/s
Teljesítmény: 17808.0
0 kW
Memória: 1024000 GB
17

Rendszerbiológia - aktívan fejlődik
komplexet elemző interdiszciplináris tudományterület
biológiai rendszerek, figyelembe véve azok többkomponensű jellegét, jelenlétét
közvetlen és visszacsatolási kapcsolatok, valamint a heterogenitás és a nagy
kísérleti adatok mennyisége. A kutatás tárgya
ezen a területen lehet egy génszabályozó rendszer,
anyagcsere, valamint a sejtdinamika és a kölcsönhatások
sejtpopuláció
(A biokémikus azonosítani tudja az enzimeket és körbe tudja keríteni a termékeket
Krebs, hanem számítsuk ki a koncentrációjuk változásának dinamikáját
csak egy rendszerbiológus képes rá.)
A rendszerbiológia legfontosabb alapelve
a „holizmus”, aminek a helyettesítése
"redukcionizmus".
18

Rendszerbiológia (rendszerbiológia)
A redukcionista megközelítés azt feltételezi, hogy a tulajdonságok
összetett többkomponensű rendszer csak akkor érhető el
egyéniségét figyelembe véve
Descartes ezt állította
alkatrészek.
állatok lehetnek
Például,
halmazként "magyarázta".
az egyes gépek üzemeltetése
fiziológiai
- De homine, 1662.
a szervezet funkciói
világossá váljon
csak részletesen
őt ismerve
egyes sejteket.
19

Holisztikus megközelítés
azt sugallja, hogy egy komplex tulajdonságai
többkomponensű rendszer lehetetlen
egyede tulajdonságainak összegeként ábrázolja
összetevő.
Például a test élettani funkciói „nem
kimutatható", ha figyelembe vesszük az egyedét
sejteket.
20

Rendszerbiológia (rendszerbiológia)
A rendszerbiológia fő feladata, ami nem
metszi a bioinformatikát, amit modellez
dinamikus biorendszerek tulajdonságai diszkrét
(keretekkel) és folyamatos idő (nagy
biorendszerek része).
Általában a biológiai rendszerek nincsenek egyensúlyban (nyitott,
folyamatosan energiát és anyagot cserél a környezettel) és
nem lineáris (állapotuk változása nem teljesen
az előző határozza meg).
Ezért speciális elemzési módszereket alkalmaznak számukra.
és leírások (nemlineáris dinamika).
21

Rendszerbiológia (rendszerbiológia)
A rendszerbiológia megjelenésének előfeltételei
vannak:
- Enzimatikus kvantitatív modellezés
kinetika – között kialakult irány
1900 és 1970,
- A népességnövekedés matematikai modellezése,
- Modellezés a neurofiziológiában,
- Dinamikus rendszerek elmélete és kibernetika.
22

A rendszerbiológia fejlesztése:
Szervezet- és rendszerelmélet
Bogdanova - bármilyen furcsának tűnik, egy fehérorosz tudós és
Grodnói forradalmár - Alekszandr Malinovszkij
(Bogdanov álnév - az egyik alapító és vezető
RSDLP, Leninnel együtt). jeles filozófus,
aki számos nagy művet írt a tekológiáról,
általa bevezetett tudomány, egyetlen elvet tárva fel
eszköz, szervezése és kezelése biológiai és
nem biológiai rendszerek. Ő vezette be a koncepciót
a biológiai rendszer nyitottsága, annak
önszabályozás, önszerveződés,
„önkomplikáció”, lehetőségek
entrópia csökkenése, ami miatt sok
az ilyen rendszerek holisztikus tulajdonságokkal rendelkeznek.
Malinovsky / Bogdanov - az alapítványok elismert alkotója
rendszerbiológia, bioinformatika és kibernetika.
23

Carl Ludwig von Bertalanffy
a rendszerelmélet fő hirdetője
az USA-ban. Főleg kölcsönzött és
rendszerek matematikájában dolgozott ki ötleteket.
Széles körben a köz "atyjaként" ismert
rendszerelmélet.
Elméletileg alátámasztotta, hogy termodinamikai
klasszikus törvények (energia- és tömegmegmaradás és
entrópia növekedése) „nem működnek” amikor
biológiai rendszerek figyelembevétele
24

Nyitott rendszerek Bertalanffy szerint - több energiát vehet igénybe, mint
odaadni. Fejlesztik magukat, a bennük lefektetett elv szerint.
szervezés, önszabályozás és önkormányzat. A biológia esetében
a genetikai kód alapja és annak megvalósítása (jelensége),
adott létfeltételek által adott.
25

A rendszerbiológia fejlődési szakaszai:
A biológiai növekedés Bertalanffy-modellje
A legegyszerűbb differenciálegyenlet (leírandó egyenlet
dinamikus folyamatok - ismert paraméterek behelyettesítése és azok
arányok, azaz együtthatók, ami lehetővé teszi az ismeretlen megtalálását
a minket érdeklő paraméterek, valamint grafikon felépítése és felhasználása
ismeretlen paraméterek beállítása).
A hossz (bármilyen méretű) időbeli változásának egyenlete:
L - hossz, t - idő
Az rB a növekedési sebesség Bertfalanffy Loo szerint a szervezet maximális hossza.
További koefficiensek (nem szerepelnek fent) - élelmiszer elérhetősége,
anyagcsere sebessége, ontogenezis fázisai stb. Pontosabban segítenek
kiszámítja a növekedés időbeli változását. A modell ma is használatban van.
26

Az egyik első modell, amelyben a fiziológia problémáját megoldották, az volt
idegimpulzus terjedési modell (akciós potenciál),
A. Hodgkin és E. Huxley készítette a tintahal axonjához (1952)
1960-ban Denis Noble megalkotta az első pacemaker sejtek modelljét a szívben.
a pulzusszám matematikai modellje.
A modern rendszerbiológia hivatalos elismerése különállóként
A tudomány egy Clevelandben tartott nemzetközi szimpóziumra utal
1966-ban "Rendszerelmélet és biológia" - Rendszerelmélet címmel
és biológia.
Az 1960-as és 70-es években kidolgozták az első metabolikus modelleket - modelleket
az enzimek hálózatai és tevékenységeik. Az anyagcsere elméletei
kontroll, negatív és pozitív visszacsatolás a szabályozáshoz,
megjelentek az első elérhető számítási modellek a fehérjeszerkezetekre.
27

1980-as évek: a molekuláris biológia rohamos fejlődése során kb
A modellezés feledésbe merült, különösen amióta a biológusok szkepticizmust mutattak
a matematika és a fizika mindenhatósága A számítógépek kis teljesítményűek voltak és nem
lehetővé tette a biológusok számára szükséges számítások elvégzését.
A 90-es évek eleje óta a genomika úgynevezett korszaka, amikor
az első hatalmas nukleotid- és aminosav-tömbök
szekvenciák, elemzésük szükségessége új viharhoz vezetett
rendszerbiológia fejlődési fordulata.
A számítástechnika sebességében és elérhetőségében bekövetkezett áttörés (1990-2000) egyre több programozó bevonását eredményezte,
matematikusok és elméleti fizikusok a biológiában.
2000 után megjelent az omics - a tudományok családja, amely létrehozta
a biológiai adatok hatalmas tömbeinek feldolgozásának szükségessége.
28

- Fenomika: a fenotípus változásai és változásai az élet során
ciklus.
- Genomika: organizmusok vagy sejtek DNS-szekvenciái. Annotáció,
gének, exonok (kódolt) és intronok (nem kódolt) feltérképezése és elemzése,
más területek.
- Epigenomika / Epigenetika: transzkriptom szabályozás,
a genom által nem kódoló, például DNS-metiláció vagy
hiszton acetilezés.
- Transzkriptomika: az egyes gének expressziójában bekövetkezett változások mérése
"DNS microarrays" (DNS chipek) segítségével.
- Interferomika: ismeretek a rendszerek mechanizmusairól és sokféleségéről
az átiratok "korrekciói", például RNS interferencia.
29

Kapcsolódó tudományágak (és tárgyaik), amelyek közül
főként adatokat vesznek és elemeznek
bioinformatikában és rendszerbiológiában:
- Proteomika (a transzlatomika ritkább név): mérések
fehérjék és peptidek kétdimenziós gélelektroforézissel in
kombinációk tömegspektrometriával, HPLC-vel és más detektorokkal.
Foszfoproteomix, glikoproteomix, membrán és
endomembrán protemix és más típusok.
- Anyagcsere: arány mérése, diverzitás és
eloszlása, valamint a kis molekulák testének funkcióival való kapcsolat
(az úgynevezett metabolitok), amelyek nem kapcsolódnak a biopolimerekhez.
- Glikomika: arány, diverzitás és eloszlás mérése, ill
összefüggésben áll a szénhidrátok szervezeti funkcióival is.
30

Kapcsolódó tudományágak (és tárgyaik), amelyek közül
főként adatokat vesznek és elemeznek
bioinformatikában és rendszerbiológiában:
- Lipidomika: az arány, a diverzitás és az eloszlás mérése,
valamint a lipidtest funkcióival való kapcsolatok.
- Interactomics: közötti kölcsönhatások mérése és elemzése
molekulák, kémiai reakciók. Például fehérje-fehérje
interakciók.
- Neuroelektrodinamika: az idegsejtek szerveződésének és működésének elemzése mint
információfeldolgozásra képes dinamikus rendszer
elektromos jelek segítségével.
- Ionomika és fluxomika: olyan területek, amelyek tevékenységet és
az ionok és fluxusaik eloszlása, ill.
- Biomika: a biom (életmegnyilvánulások - jelenségek) szisztematikus elemzése
élő rendszerekre jellemző).
31

Rendszerbiológiai eszközök
A rendszerbiológiai kutatások leggyakrabban
egy komplex biológiai modell kidolgozása
rendszer, vagyis az alapján felépített modell
mennyiségi adatok az elemi folyamatokról,
alkotják a rendszert.
Az eredményül kapott rendszerek elemzésére alkalmazható
a nemlineáris dinamika matematikai módszerei, elméletek
véletlenszerű folyamatokat, vagy használja az elméletet
menedzsment.
A vizsgálat tárgyának összetettsége miatt a nagyszámú
paraméterek, változók és leíró egyenletek
biológiai rendszer, modern rendszerbiológia
elképzelhetetlen számítástechnika nélkül
32

National Science Foundation (NSF) - egyfajta alapítvány
alapkutatás USA
század biológiájának feladatai között kitűzött és
komoly kihívás a rendszerbiológia számára -
az egész működési modelljének felépítése
sejteket. Ez a probléma bizonyos mértékig már megoldódott.
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).
Egy egész sejt
Számítási modell
Megjósolja a fenotípust
genotípusból.
Cell 150, 389–401;
A Mycoplasma genitalium sejt egészének modellje, amely 28 sejtből áll
különböző sejtfolyamatok almodelljei. Az almodellek csoportosítva
kategória szerint: DNS, RNS, fehérjék és anyagcsere. Az almodellek kapcsolatban állnak egymással
egy másik a közös metabolitokon, RNS-en, fehérjéken és kromoszómális DNS-en keresztül, amely
a megfelelő színű nyilak jelzik.

Rendszerbiológia- összetett biológiai rendszerek számítási és matematikai modellezése. Az orvosbiológiai és biológiai tudományos kutatások feltörekvő technikai megközelítése, a rendszerbiológia egy biológián alapuló interdiszciplináris tudományterület, amely a biológiai rendszereken belüli komplex kölcsönhatásokra összpontosít, holisztikus megközelítést (a hagyományos redukcionizmus helyett holizmust) alkalmazva a biológiai és orvosbiológiai kutatásokban. Különösen 2000-től kezdődően a fogalom széles körben használatos a biológiai tudományokban, különféle összefüggésekben. Például a Human Genome Project a biológiában alkalmazott rendszerszemléletű gondolkodás példája, amely új, együttműködésen alapuló módszereket eredményezett a genetika biológiai területén. A rendszerbiológia transzcendens céljai közé tartozik, hogy modellezze és fedezze fel a sejtek, szövetek és élőlények olyan rendszerként funkcionáló tulajdonságait, tulajdonságait, amelyek elméleti leírása csak a rendszerbiológia tárgykörébe tartozó lehetséges felhasználások. Ezek jellemzően metabolikus hálózatokat vagy sejtjelző hálózatokat foglalnak magukban.

Felülvizsgálat

A rendszerbiológia számos különböző aspektusból szemlélhető:

• Kutatási területként különösen a biológiai rendszerek komponensei közötti kölcsönhatások vizsgálata, valamint az, hogy ezek a kölcsönhatások hogyan idézik elő az adott rendszer működését és viselkedését (pl. enzimek és metabolitok az anyagcsereútban).
• Paradigmaként, általában az úgynevezett redukcionista paradigma (biológiai szerveződés) ellentéteként definiálva, bár teljesen összhangban van a tudományos módszerrel. A két paradigma közötti különbséget ezek az idézetek említik:

• Mint a kutatás végzésére használt operatív protokollok halmaza, nevezetesen a ciklusból összeállított elméletek, elemző vagy számítógépes modellezés, amely bizonyos tesztelhető hipotéziseket javasol egy biológiai rendszerről, kísérleti ellenőrzés, majd a sejtek vagy sejtfolyamatok újonnan szerzett kvantitatív leírásának felhasználása a számítási modell vagy elmélet finomításához. Mivel a cél a kölcsönhatások modellezése egy rendszerben, a legtöbb rendszerbiológia által keresett kísérleti módszerek a teljes rendszerre vonatkoznak, és igyekeznek a lehető legteljesebbek lenni. Ezért a transzkriptomika, metabolomika, proteomika és nagy áteresztőképességű módszerek modellek felépítéséhez és teszteléséhez szükséges mennyiségi adatok gyűjtésére szolgálnak.
• A dinamikus rendszerelmélet alkalmazásaként a molekuláris biológiában. Valójában a vizsgált rendszerek dinamikájára való összpontosítás jelenti a fő fogalmi különbséget a rendszerbiológia és a bioinformatika között.
• Társadalomtudományi jelenségként, amelyet az a stratégia határoz meg, hogy a különféle kísérleti forrásokból származó, a biológiai rendszerek kölcsönhatásaira vonatkozó komplex adatok integrálását interdiszciplináris eszközök és személyzet segítségével.

A nézőpontok sokfélesége jól illusztrálja azt a tényt, hogy a rendszerbiológia nem egyetlen, jól körülhatárolható terület, hanem széles körben átfedő fogalmak csoportjába tartozik. A kifejezés azonban 2007 óta széles körben elterjedt és népszerű, a rendszerbiológiai tanszékek és intézetek világszerte elterjedtek.

Történelem

A rendszerbiológia gyökerei a következőkben rejlenek:

• az enzimkinetika kvantitatív modellezése, amely tudományág 1900 és 1970 között virágzott,
• a demográfiai dinamika matematikai modellezése,
• szimulációk fejlődtek ki a neurofiziológia tanulmányozására és
• irányításelmélet és kibernetika.

Az egyik teoretikus, aki a rendszerbiológia egyik előfutáraként tekinthető Ludwig von Bertalanffyáltalános rendszerelméletével. A citobiológia egyik első numerikus szimulációját 1952-ben publikálták brit neurofiziológusok, ill. Nobel-díjas Alan Lloyd Hodgkinés Andrew Fielding Huxley, aki olyan matematikai modellt épített fel, amely megmagyarázta egy neuronsejt axonja mentén terjedő akciós potenciált. Modelljük két különböző molekulakomponens kölcsönhatásából származó sejtfunkciót írt le, káliumés a nátriumcsatorna, ezért a számítási rendszerbiológia kezdetének tekinthető. 1960-ban Denis Noble kifejlesztette a szívritmus-szabályozó első számítógépes modelljét.

Megkezdődött a rendszerbiológia, mint külön tudományág formális tanulmányozása teoretikus rendszerek Mihailo Mesarovics 1966-ban egy nemzetközi szimpóziummal ben Cleveland , Ohio, "Rendszerelmélet és biológia" címmel.

Az 1960-as és 1970-es években számos megközelítést fejlesztettek ki az összetett molekuláris rendszerek tanulmányozására, mint például a metabolikus kontrollelemzés és a biokémiai rendszerelmélet. A molekuláris biológia fejlődése az 1980-as években, párosulva az elméleti biológiával szembeni szkepticizmussal, amely akkor többet ígért, mint amit elért, a biológiai folyamatok kvantitatív modellezése némileg jelentéktelen területté vált.

A funkcionális genomika megszületése az 1990-es években azonban azt jelentette, hogy nagy mennyiségű, kiváló minőségű adat vált elérhetővé, miközben a számítási teljesítmény robbanásszerűen megnőtt, így valósághűbb modellek születtek. 1992-ben, majd 1994-ben egymást követő cikkek a rendszergyógyászatról, a rendszergenetikáról és a rendszerbiológiai tervezésről B. Z. A Zeng Kínában jelent meg, és előadást tartott a bioszisztémák elméletéről és a rendszerszemléletű kutatásokról a Transzgenikus Állatok Első Nemzetközi Konferenciáján, Pekingben, 1996. 1997-ben a csoport Masaru Tomita publikálta a teljes (hipotetikus) sejtanyagcsere első kvantitatív modelljét.

2000 körül, az Institutes for Systems Biology megalapítása után Seattleés Tokió A rendszerbiológia önálló mozgalomként jelent meg, amelyet a különböző genomprojektek befejezése, az omika (pl. genomika és proteomika) adatainak jelentős növekedése, valamint a bioinformatika és a nagy áteresztőképességű kísérletek ezzel járó fejlődése ösztönzött.

• Transzkriptomika

: Szervezeti, szöveti vagy teljes sejtes génexpresszió mérések microarray-ekkel DNS vagy a génexpresszió szekvenciális elemzése

• Interferomika

: Szervezeti, szöveti vagy sejtszintű transzkriptum korrekciós faktorok (pl. RNS interferencia)

• Translatomics / Proteomika

: Fehérjék és peptidek szervezeti, szöveti vagy sejtszintű mérése kétdimenziós gélelektroforézissel, tömegspektrometriával vagy többdimenziós fehérjeazonosítási módszerekkel (fejlett rendszerek) HPLC tömegspektrometriával együtt). Az altudományok közé tartozik a foszfoproteomika, a glikoproteomika és más módszerek a kémiailag megváltozott fehérjék kimutatására.

• Anyagcsere

: A metabolitokként ismert kis molekulák szervezeti, szöveti vagy sejtszintű mérése

• Glikomika

: Szervezeti, szöveti vagy sejtes szénhidrát mérések

• Lipidomics

: Szervezeti, szöveti vagy sejt lipidmérés.

A fenti molekulák azonosításán és mennyiségi meghatározásán túl további módszerek a sejten belüli dinamikát és kölcsönhatásokat elemzik. Ebbe beletartozik:

• Interaktomika

: Molekulák közötti kölcsönhatások szervezeti, szöveti vagy sejtszintű vizsgálata. A jelenlegi mérvadó molekuláris diszciplína ezen a kutatási területen a protein-protein interakciók (PPI), bár a munkadefiníció nem zárja ki más molekuláris tudományágak bevonását, mint például az itt meghatározottak.

NeuroElectroDynamics

: Organizmus, agy számítási funkciója, mint dinamikus rendszer, alapvető biofizikai mechanizmusok és az elektromos kölcsönhatások révén kialakuló számítások.

• Fluxomika

: Molekuláris dinamikus időbeli változások szervezeti, szöveti vagy sejtszintű mérése.

• Biomikrométerek

: Biome rendszerek elemzése.

• Szemiomika

: Egy szervezet vagy más biorendszer jele kapcsolatrendszerének elemzése.

• A rák rendszerbiológiája a rendszerbiológiai megközelítés egyik fontos alkalmazása, amely megkülönbözteti a vizsgálat konkrét célját (tumorogenezis ill. rák kezelés). Specifikus adatokkal működik (betegminták, nagy áteresztőképességű adatok, különös tekintettel a jellemzésre rák genom betegek daganatmintáiban) és műszerekben (halhatatlan rákos sejtvonalak, egér modellek tumorigenesis, xenograft modellek, módszerek Következő generáció rendelése, amely a leütő siRNS génben található benyomások, a testi mutációk és a genom instabilitás következményeinek számítógépes modellezése). A rákrendszerbiológia hosszú távú célja a rák jobb diagnosztizálásának, osztályozásának és a javasolt kezelések kimenetelének jobb előrejelzésének képessége, ami az alapja személyre szabott rákgyógyászatés virtuális rákos beteg az állítólagos távolabbiban. Jelentős erőfeszítéseket tettek a rák számítógépes rendszerbiológiájában, hogy egy valósághű többléptékű képet hozzanak létre in silico különböző daganatok modelljei.

A vizsgálatokat gyakran kombinálják nagy léptékű agitációs módszerekkel, beleértve a génalapú ( RNAi, vad típusú és mutáns gének téves expressziója) és kémiai megközelítések kis molekulakönyvtárak használatával. robotok az automatizált érzékelők pedig lehetővé teszik az ilyen nagyszabású kísérletezést és adatgyűjtést és -gyűjtést. Ezek a technológiák még mindig kialakulóban vannak, és sok olyan problémával kell szembenézni, hogy minél nagyobb az előállított adatmennyiség, annál rosszabb a minőség. Kvantitatív tudósok széles köre (számítógépbiológusok, statisztikusok, matematikusok, programozók, mérnökök és fizikusok) dolgozik ezen megközelítések minőségének javításán, valamint modellek létrehozásán, finomításán és újbóli tesztelésén, hogy pontosan tükrözzék a megfigyeléseket.

A rendszerbiológiai megközelítés gyakran magában foglalja a fejlesztést is mechanikus modellek, mint például a dinamikus rendszerek rekonstrukciója elemi építőelemeik mennyiségi tulajdonságaiból. Például egy cellás hálózat matematikailag modellezhető a kémiai kinetikából és a szabályozáselméletből származó módszerekkel. A cellás hálózatokban a paraméterek, változók és korlátok nagy száma miatt gyakran alkalmaznak numerikus és számítási módszereket (pl. olvadékegyensúly-elemzés).

Bioinformatika és adatelemzés

A számítástechnika, számítástechnika, statisztika egyéb aspektusait is használják a rendszerbiológiában. Tartalmazzák:

• A számítási modellek új formái, mint például a folyamatszámítás használata biológiai folyamatok modellezésére (figyelemre méltó megközelítések közé tartozik a sztochasztikus π-kalkulus, a BioAmbients, a Beta Binders, a BioPEPA és a Brane-számítás), valamint a kényszer-alapú modellezés.
• Irodalomból származó információk integrálása információ-kinyerési és szövegbányászati ​​módszerekkel.
• Online adatbázisok és adattárak fejlesztése adatok és modellek megosztására, adatbázis-integrációs megközelítések és szoftverek interoperabilitása szoftverek, webhelyek és adatbázisok laza összekapcsolása vagy kereskedelmi öltönyök révén.
• Szintaktikailag és szemantikailag megalapozott módszerek kidolgozása a biológiai modellek ábrázolására.

Rendszerbiológia

Rendszerbiológia- a biológia és a komplex rendszerek elméletének metszéspontjában kialakult tudományág. A kifejezést először W. Zieglgänsberger és TR egy 1993-as cikkében használták. Tolle.

Ez az élet interdiszciplináris tudománya. Célja az élő rendszerek komplex kölcsönhatásainak tanulmányozása. Új megközelítést alkalmaz a biológiában: holizmust a redukcionizmus helyett. A rendszerbiológia fókuszában az úgynevezett felbukkanó tulajdonságok állnak, vagyis a biológiai rendszerek olyan tulajdonságai, amelyek nem magyarázhatók pusztán összetevőinek tulajdonságaival. A rendszerbiológia feladata tehát olyan összetett biológiai rendszerek tulajdonságainak vizsgálata, modellezése, amelyek nem magyarázhatók összetevői tulajdonságainak összegével.

A „rendszerbiológia” kifejezés 2000 után terjedt el.

A rendszerbiológia kapcsolatban áll a matematikai biológiával.

Értékek

A rendszerbiológia a következőképpen értelmezhető:

• Kutatási terület, amelynek célja a biológiai rendszerek összetevői közötti kölcsönhatások tanulmányozása, és hogy ezek a kölcsönhatások hogyan vezetnek a rendszerek funkcióinak és jellemzőinek megjelenéséhez (például metabolitok és enzimek kölcsönhatása az anyagcsererendszerekben).

• A dinamikus rendszerek elméletének alkalmazása biológiai rendszerekre.
• társadalomtudományi jelenség, amelyet úgy határoztak meg, mint a biológiai rendszerek kölcsönhatásaira vonatkozó komplex adatok integrálását, amelyek különböző kísérleti forrásokból származnak, interdiszciplináris módszerekkel.

A rendszerbiológia megértésbeli különbségét az magyarázza, hogy ez a fogalom inkább egy egymást keresztező fogalmak halmazára vonatkozik, semmint egy szigorúan meghatározott irányra. A rendszerbiológia céljainak és módszereinek megértésében mutatkozó különbségek ellenére a kifejezést a kutatók széles körben használják, többek között tudományos osztályok és egész intézetek nevének részeként világszerte.

Történelem

A rendszerbiológia megjelenésének előfeltételei a következők:

• Az enzimatikus kinetika kvantitatív modellezése - ez az irány, amely 1900 és 1970 között alakult ki,
• A népességnövekedés matematikai modellezése,
• Modellezés a neurofiziológiában,

A rendszerbiológia úttörőjének Ludwig von Bertalanffyt, az általános rendszerelmélet megalkotóját, az 1950-ben megjelent "General Systems Theory in Physics and Biology" című könyv szerzőjét tekinthetjük. A biológia egyik első numerikus modellje a brit neurofiziológusok, valamint a Nobel-díjas Hodgkin és Huxley 1952-ben publikált modellje. A szerzők matematikai modellt készítettek az akciós potenciál terjedésének magyarázatára egy neuron axonja mentén. Modelljük a potenciális terjedési mechanizmust két különböző molekuláris komponens – a kálium- és nátriumcsatornák – közötti kölcsönhatásként írta le, ami a számítási rendszerbiológia kezdetének tekinthető. 1960-ban Hodgkin és Huxley modellje alapján Denis Noble megalkotta a szívritmus-szabályozó első számítógépes modelljét.

Formálisan a rendszerbiológiáról mint önálló tudományágról szóló első munkát Mihailo Mesarovic rendszerelméleti szakember mutatta be 1966-ban a clevelandi Institute of Technology (USA, Ohio) nemzetközi szimpóziumon „Rendszerelmélet és biológia” címmel.

A huszadik század 60-as és 70-es éveiben számos megközelítést fejlesztettek ki az összetett molekuláris rendszerek tanulmányozására, mint például az anyagcsere-szabályozás elmélete és a biokémiai rendszerek elmélete. A molekuláris biológia sikerei a 80-as években, az elméleti biológia iránti általános érdeklődés némi hanyatlásával, ami többet ígért, mint amit el tudott érni, a biológiai rendszerek modellezése iránti érdeklődés csökkenéséhez vezetett.

A funkcionális genomika megszületése azonban az 1990-es években nagy mennyiségű, kiváló minőségű adathoz vezetett, ami a számítástechnika fellendülésével együtt valósághűbb modellek létrehozását tette lehetővé. 1997-ben Masaru Tomita csoportja publikálta a teljes (hipotetikus) sejtanyagcsere első numerikus modelljét. A "rendszerbiológia" kifejezés W. Sieglgansberg és T. Tolle 1993-ban megjelent cikkében is megtalálható. Az 1990-es években B. Zeng számos koncepciót, modellt és kifejezést alkotott meg: rendszergyógyászat (1992. április), rendszerbiomérnökség (1994. június) és rendszergenetika (1994. november).

A 2000-es években, amikor Seattle-ben és Tokióban megalakultak a Systems Biology Institutes, a Systems Biology önálló területté vált, részt vett különböző genomikai projektekben, feldolgozta és értelmezte a "-omics" (proteomika, metabolomika) adatait, segített értelmezni más magas szintű tudományokat. -áteresztőképességi kísérletek, beleértve a bioinformatikát is. 2006 nyarától a rendszerbiológusok hiánya miatt világszerte több képzési központ jött létre.

A rendszerbiológia kísérleti módszerei

A létrehozandó modellek ellenőrzésére a rendszerbiológia különféle típusú kísérleti adatokkal dolgozik, amelyek mind az egyes összetevőket, mind a rendszer egészét leírják. A hipotézisek és következtetések megfogalmazásához kezdeti információként gyakran a biológia más területein szerzett adatokat használnak: biokémia, biofizika, molekuláris biológia. A rendszerbiológiához azonban számos specifikus módszer kapcsolódik. Ezek a módszerek nagyszámú kísérleti mérést, valamint számos jellemző egyidejű kimutatását jellemzik, ami az automatizált streaming kísérleti technikák megjelenésével vált lehetővé.

Példák az ilyen módszerekre:

• Genomika: nagy áteresztőképességű DNS-szekvenálási technikák, beleértve ugyanazon organizmus különböző sejtjei variabilitásának vizsgálatát.
• Epigenomika/epigenetika: a DNS-ben nem kódolt transzkripciós faktorok vizsgálata (DNS-metiláció stb.).
• Transzkriptomika: génexpresszió mérése DNS microarray és egyéb módszerekkel.
• Interferomika: az átírt RNS-ek kölcsönhatásának mérése.
• Proteomika/Transzlatomika: Fehérjék vagy peptidek szintjének mérése 2D gélelektroforézissel, tömegspektrometriával vagy többdimenziós fehérjemérési technikákkal.
• Metabolomika: úgynevezett kis molekulák, metabolitok koncentrációjának mérése.
• Glikomika: szénhidrátszint mérés.
• Lipidomika: lipidszint mérés.

A molekulák szintjének mérésére szolgáló bemutatott módszerek mellett vannak bonyolultabb módszerek is, amelyek lehetővé teszik a jellemzők időbeli dinamikájának és az összetevők közötti kölcsönhatás mérését:

• Interaktomika: molekulák közötti kölcsönhatások mérése (pl. fehérje-fehérje kölcsönhatások mérése: PPI).
• Fluxomika: a fluxusok és koncentrációk időbeli dinamikájának mérése (általában metabolitok).
• Biomics: Biome Systems Analysis

A felsorolt ​​módszerek közül sokat jelenleg is aktívan fejlesztenek mind a mérések pontosságának és információtartalmának növelése, mind a kapott adatok numerikus feldolgozásának módszerei terén.

Rendszerbiológiai eszközök

A rendszerbiológia területén végzett kutatások leggyakrabban a fejlesztésből állnak mechanikus modell komplex biológiai rendszer, vagyis a rendszert alkotó elemi folyamatok mennyiségi adatai alapján felépített modell.

A metabolikus vagy jelátviteli útvonal matematikailag leírható az enzimatikus vagy kémiai kinetika elméletei alapján. A kapott rendszerek elemzéséhez felhasználhatók a nemlineáris dinamika matematikai módszerei, a véletlenszerű folyamatok elmélete vagy a szabályozáselmélet.

A vizsgálat tárgyának összetettsége, a biológiai rendszert leíró nagyszámú paraméter, változó és egyenlet miatt a modern rendszerbiológia elképzelhetetlen számítógépes technológia alkalmazása nélkül. A számítógépek segítségével nemlineáris egyenletrendszereket oldanak meg, tanulmányozzák a rendszer stabilitását és érzékenységét, kísérleti adatokból egyenletek ismeretlen paramétereit határozzák meg. Az új számítógépes technológiák jelentős hatással vannak a rendszerbiológia fejlődésére. Különösen a folyamatkalkulusok, az automatikus információ-visszakeresési eszközök alkalmazása a publikációkban, a számítógépes nyelvészet, a nyilvános adatbázisok fejlesztése és feltöltése.

A rendszerbiológia keretein belül folyamatban van a saját modellezési szoftvereszközeink és univerzális nyelvek létrehozása a modellek tárolására és annotálására. Ilyen például az SBML, a CellML (XML kiterjesztések a modellek írásához), valamint az SBGN (a biológiai rendszerek elemei közötti kölcsönhatások szerkezetének grafikus ábrázolására szolgáló nyelv).

Lásd még

Kapcsolódó területek

Megjegyzések

1. A fájdalomjelzés farmakológiája. - PubMed eredmények
2. Sauer, U. et al. (2007. április 27.). "Közelebb jutni a teljes képhez". Tudomány 316 . DOI:10.1126/tudomány.1142502. PMID 17463274 .
3. Denis Noble Az élet zenéje: Biológia a genomon túl. - Oxford University Press, 2006. - ISBN 978-0199295739 p21
4. Kholodenko B.N., Bruggeman F.J., Sauro H.M.; Alberghina L. és Westerhoff H.V. (szerk.) (2005.). "Mechanisztikus és moduláris megközelítések a celluláris szabályozó hálózatok modellezésére és következtetésére". Rendszerbiológia: Definíciók és perspektívák, Springer-Verlag.
5. Hodgkin AL, Huxley AF (1952). "A membránáram kvantitatív leírása és alkalmazása az ideg vezetésére és gerjesztésére". J Physiol 117 (4): 500–544. PMID 12991237 .
6. Le Novere (2007). "A hosszú út a neuronális működés rendszerbiológiájához". BMC rendszerbiológia 1 . DOI:10.1186/1752-0509-1-28. PMID 17567903 .
7. Noble D (1960). "Szívműködési és pacemaker-potenciálok a Hodgkin-Huxley egyenletek alapján". Természet 188 : 495–497. DOI:10.1038/188495b0. PMID 13729365 .
8. Mesarovic M.D. Rendszerelmélet és biológia. - Springer-Verlag, 1968.
9. „Eszköz egy új holizmus felé”. Tudomány 161 (3836): 34–35. DOI:10.1126/tudomány.161.3836.34.
10. A rendszerek kezelése. Archiválva az eredetiből 2012. április 16-án.
11. Gardner, T. S.; di Bernardo D, Lorenz D és Collins JJ (2003. július 4.). "Genetikai hálózatokra való következtetés és a hatásvegyület azonosítása expressziós profilozással". Tudomány 301 : 102–1005. DOI:10.1126/tudomány.1081900. PMID 12843395.
12. di Bernardo, D; Thompson MJ, Gardner TS, Chobot SE, Eastwood EL, Wojtovich AP, Elliot SJ, Schaus SE és Collins JJ (2005. március). "Kemogenomikus profilalkotás genomszintű skálán fordított génhálózatok segítségével". Természet biotechnológia 23 : 377–383. DOI:10.1038/nbt1075. PMID 15765094 .

Wikimédia Alapítvány. 2010 .

Nézze meg, mi a "Rendszerbiológia" más szótárakban:

Ennek a kifejezésnek más jelentése is van, lásd Biológia (jelentések). A biológia (görögül βιολογία βίο, bio, élet; másik görög λόγος tanítás, tudomány) tudományok olyan rendszere, amelynek vizsgálati tárgyai az élőlények és kölcsönhatásuk ... ... Wikipédia

A fosszilis Archeopteryx felfedezte ... Wikipédia

Ezt a cikket teljesen át kell írni. Lehetnek magyarázatok a vitalapon. Általános biológia ... Wikipédia