Systémová biologie

Systémová biologie  je interdisciplinární vědecký směr vzniklý na průsečíku biologie a teorie komplexních systémů , zaměřený na studium komplexních interakcí v živých systémech. Tento termín byl poprvé použit v článku z roku 1993 od W. Zieglgänsbergera a TR. Tölle [1] . Termín „systémová biologie“ se rozšířil po roce 2000 .

Tvoří nový přístup k interpretaci výsledků v biologii 21. století namísto redukcionismu , tradičního pro biologii minulých století, a takový nový přístup je v současnosti označován jako holismus . a integrace eng.  integrace ) [2] . Hlavní pozornost v systémové biologii je věnována tzv. emergentním vlastnostem , tedy vlastnostem biologických systémů, které nelze vysvětlit pouze vlastnostmi jejich složek.

Pochopení ( anglicky  insight ) biologie na systémové úrovni umožňuje správněji pochopit strukturu, dynamiku a funkce jak jedné buňky, tak organismu jako celku, než když uvažujeme oddělené části buňky nebo organismu [2] [3 ] .

Systémová biologie je blízko příbuzná matematické biologii .

Hodnoty

Systémovou biologii lze chápat jako:

• Oblast výzkumu zaměřená na studium interakcí mezi složkami biologických systémů a na studium mechanismů tvorby funkcí a systémových vlastností v důsledku těchto interakcí (např. interakce metabolitů a enzymů v metabolických systémech).
• Vědecké paradigma , protichůdné k tzv. redukcionistickému paradigmatu ve studiu komplexních biologických systémů, ale plně v souladu s vědeckou metodou poznání [4] [5] .
• Soubor výzkumných protokolů , jmenovitě výzkumný cyklus skládající se z teorie, analytických nebo počítačových simulací za účelem formulování hypotéz o systému, experimentálního ověření a následného použití získaných dat k popisu buňky nebo buněčných procesů ke zlepšení počítačového modelu nebo teorie [ 6] . Protože cílem je modelovat interakce v komplexním systému, musí být experimentální techniky používané v systémové biologii co nejpodrobnější. Z tohoto důvodu se k ověřování modelů používají techniky jako transkriptomika , metabolomika , proteomika a další vysoce výkonné technologie pro sběr numerických dat.
• Aplikace teorie dynamických systémů na biologické procesy.
• Společenskovědní fenomén definovaný jako touha integrovat komplexní data o interakcích v biologických systémech získaná z různých experimentálních zdrojů pomocí interdisciplinárních metod.

Rozdíl v chápání systémové biologie je vysvětlen tím, že tento pojem odkazuje spíše na soubor protínajících se pojmů než na jeden striktně definovaný směr. Navzdory rozdílu v chápání cílů a metod systémové biologie je tento termín výzkumníky široce používán, mimo jiné jako součást názvů vědeckých oddělení a celých ústavů po celém světě.

Historie

Předpoklady pro vznik systémové biologie jsou:

• Kvantitativní modelování enzymatické kinetiky - směr, který se formoval v letech 1900 až 1970 ,
• matematické modelování růstu populace,
• Modelování v neurofyziologii ,
• Teorie dynamických systémů a kybernetika .
• Synergetika

Za průkopníka systémové biologie lze považovat Ludwiga von Bertalanffyho , tvůrce obecné teorie systémů , autora knihy „General Systems Theory in Physics and Biology“, vydané v roce 1950 . Jedním z prvních numerických modelů v biologii je model publikovaný v roce 1952 britskými neurofyziology a laureáty Nobelovy ceny Hodgkinem a Huxleym . Autoři vytvořili matematický model, který vysvětluje šíření akčního potenciálu podél axonu neuronu [7] . Jejich model popisoval mechanismus potenciálního šíření jako interakci mezi dvěma různými molekulárními složkami: kanály pro draslík a sodík, což lze považovat za počátek biologie výpočetních systémů [8] . V roce 1960 vytvořil Denis Noble na základě modelu Hodgkina a Huxleyho první počítačový model kardiostimulátoru [9] .

Formálně první práci o systémové biologii jako samostatné disciplíně představil systémový teoretik Michailo Mesarovič v roce 1966 na mezinárodním sympoziu na Institute of Technology v Clevelandu (USA, Ohio) pod názvem „Systems Theory and Biology“. [10] [11]

V 60. a 70. letech dvacátého století byla vyvinuta řada přístupů ke studiu komplexních molekulárních systémů, jako je teorie metabolické kontroly a teorie biochemických systémů . Úspěchy molekulární biologie v 80. letech s určitým poklesem zájmu o teoretickou biologii obecně, která slibovala více, než mohla dosáhnout, vedly k poklesu zájmu o modelování biologických systémů.

Zrod funkční genomiky v 90. letech však vedl k dostupnosti velkého množství vysoce kvalitních dat, což spolu s rozmachem výpočetní techniky umožnilo vytvářet realističtější modely. V roce 1997 skupina Masaru Tomity zveřejnila první numerický model metabolismu celých (hypotetických) buněk. Termín „systémová biologie“ lze také nalézt v článku z roku 1993 od W. Sieglgansberga a T. Tolleho . Během 90. let vytvořil B. Zeng řadu konceptů, modelů a termínů: systémová medicína (duben 1992 ), systémové bioinženýrství (červen 1994 ) a systémová genetika (listopad 1994).

Během roku 2000 , kdy byly založeny Systems Biology Institutes v Seattlu a Tokiu, se Systems Biology prosadila, byla zapojena do různých genomických projektů, zpracovávala a interpretovala data z "-omiky" (proteomika, metabolomika), pomáhala interpretovat další vysoké -propustnost experimentů, včetně bioinformatiky . Od léta 2006 bylo kvůli nedostatku systémových biologů [12] zřízeno několik školicích středisek po celém světě.

Významným mezníkem ve vývoji systémové biologie byl mezinárodní projekt Physiom .

Experimentální metody v systémové biologii

K ověření vytvářených modelů pracuje systémová biologie s různými typy experimentálních dat, která popisují jak jednotlivé komponenty, tak systém jako celek. Často se jako výchozí informace pro formulaci hypotéz a závěrů používají data získaná v jiných oblastech biologie: biochemie , biofyzika , molekulární biologie . Existuje však řada specifických metod silně spojených se systémovou biologií. Tyto metody charakterizují velké množství experimentálních měření, stejně jako současnou detekci mnoha charakteristik, což bylo možné s příchodem automatizovaných streamovacích experimentálních technik.

Příklady takových metod mohou být:

• Genomika : vysoce výkonné techniky sekvenování DNA , včetně studia variability v různých buňkách stejného organismu.
• Epigenomika / Epigenetika : studium transkripčních faktorů nekódovaných v DNA ( metylace DNA atd.).
• Transkriptomika : měření genové exprese pomocí DNA microarrays a dalších metod.
• Interferomika : měření interakce transkribovaných RNA.
• Proteomika / Translatomika : Měření hladiny proteinů nebo peptidů pomocí 2D gelové elektroforézy , hmotnostní spektrometrie nebo vícerozměrných technik měření proteinů.
• Metabolomika : měření koncentrací tzv. malých molekul, metabolitů .
• Glykomika : měření hladiny sacharidů .
• Lipidomika : měření hladin lipidů .

Kromě prezentovaných metod měření hladiny molekul existují také složitější metody, které umožňují měřit dynamiku charakteristik v čase a interakci mezi složkami:

• Interaktomika : měření interakcí mezi molekulami (např. měření interakcí protein-protein: PPI).
• Fluxomika : měření dynamiky toků a koncentrací v čase (obvykle metabolitů).
• Biomika : systémová analýza biomu

Mnohé z uvedených metod jsou v současné době stále aktivně rozvíjeny jak ve směru zvyšování přesnosti a informačního obsahu měření, tak v metodách numerického zpracování získaných dat.

Nástroje systémové biologie

Výzkum v oblasti systémové biologie nejčastěji spočívá ve vývoji mechanistického modelu komplexního biologického systému, tedy modelu konstruovaného na základě kvantitativních dat o elementárních procesech, které systém tvoří [13] [14]. .

Metabolická nebo signální dráha může být popsána matematicky na základě teorií enzymatické nebo chemické kinetiky . K analýze získaných systémů lze použít matematické metody nelineární dynamiky , teorii náhodných procesů nebo teorii řízení .

Vzhledem ke složitosti předmětu studia, velkému množství parametrů, proměnných a rovnic, které popisují biologický systém, je moderní systémová biologie nemyslitelná bez použití výpočetní techniky. Počítače se používají k řešení soustav nelineárních rovnic, studiu stability a citlivosti soustavy, určování neznámých parametrů rovnic z experimentálních dat. Nové počítačové technologie mají významný vliv na rozvoj systémové biologie. Zejména využití procesního počtu , automatických prostředků pro vyhledávání informací v publikacích, počítačová lingvistika , vývoj a plnění veřejných databází .

V rámci systémové biologie se pracuje na vytváření vlastních softwarových nástrojů pro modelování a univerzálních jazyků pro ukládání a anotování modelů. Příklady zahrnují SBML , CellML ( rozšíření XML pro psaní modelů) a také SBGN (jazyk pro grafické znázornění struktury interakcí mezi prvky biologických systémů).

Viz také

• bioinformatika
• Biotechnologie
• Bioinženýrství
• Biostatistika
• Biofyzika
• Biochemie
• Výpočetní biologie
• matematická biologie
• Modelování
• syntetická biologie
• Teorie funkčních systémů
• fyziom

Poznámky

1. ↑ [https://web.archive.org/web/20160601054428/https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/8219729 Archivováno 1. června 2016 na Wayback Machine Farmakologie signalizace bolesti. [Curr Opin Neurobiol. 1993] - PubMed výsledek]
2. ↑ 1 2 Peter Kohl, Denis Noble , Raimond L. Winslow & Peter J. Hunter. Výpočtové modelování biologických systémů: nástroje a vize   // Phil . Trans. R. Soc. Londýn. Kláda. - 2000. - Sv. 358 , č.p. 1766 . - S. 579-610 . — ISSN 1364-503X . doi : 10.1098 / rsta.2000.0547 .
3. ↑ Hiroaki Kitano. Systémová biologie: Stručný přehled   // Věda . - 2002. - 1. března ( sv. 295 ). - S. 1662-1664 . - doi : 10.1126/science.1069492 .
4. ↑ Sauer, U. a kol. Přiblížení k celému obrazu   // Věda . - 2007. - 27. dubna ( sv. 316 ). — S. 550 . - doi : 10.1126/science.1142502 . — PMID 17463274 .
5. ↑ Denis Noble . Hudba života: Biologie za genomem  (anglicky) . - Oxford University Press , 2006. - ISBN 978-0199295739 . str. 21
6. ↑ Kholodenko BN, Bruggeman FJ, Sauro HM; Alberghina L. a Westerhoff HV (Eds.) (2005). „Mechanistické a modulární přístupy k modelování a odvození celulárních regulačních sítí“. Systémová biologie: Definice a perspektivy . Springer-Verlag. p. 143. Použitý zastaralý parametr |coauthors=( help );Zkontrolujte datum na |date=( nápověda v angličtině )
7. ↑ Hodgkin AL, Huxley AF Kvantitativní popis membránového proudu a jeho aplikace na vedení a excitaci v nervu  // ​​J  Physiol : deník. - 1952. - Sv. 117 , č. 4 . - str. 500-544 . — PMID 12991237 .
8. ↑ Le Novere; Le Novere, N.  Dlouhá cesta k systémové biologii neuronových funkcí  // BMC Systems Biology : deník. - 2007. - Sv. 1 . — S. 28 . - doi : 10.1186/1752-0509-1-28 . — PMID 17567903 .
9. ↑ Noble D. Srdeční akce a potenciál kardiostimulátoru na základě Hodgkin-Huxleyových rovnic  //  Nature: journal. - 1960. - Sv. 188 . - str. 495-497 . - doi : 10.1038/188495b0 . — PMID 13729365 .
10. ↑ Mesarovič, M.D.Teorie systémů a biologie  (neopr.) . — Springer-Verlag , 1968.
11. ↑ Prostředky k novému holismu   // Věda . — Sv. 161 , č.p. 3836 . - str. 34-35 . - doi : 10.1126/science.161.3836.34 .
12. ↑ Práce se systémy (downlink) . Získáno 4. února 2010. Archivováno z originálu 16. dubna 2012. (neurčitý) 
13. ↑ Gardner, TS; di Bernardo D., Lorenz D a Collins JJ Odvozování genetických sítí a identifikace sloučenin působení pomocí profilování exprese  //  Science : journal. - 2003. - 4. července ( sv. 301 ). - S. 102-1005 . - doi : 10.1126/science.1081900 . — PMID 12843395 .
14. ↑ di Bernardo, D; Thompson MJ, Gardner TS, Chobot SE, Eastwood EL, Wojtovich AP, Elliot SJ, Schaus SE a Collins JJ Chemogenomické profilování v celogenomovém měřítku pomocí reverzně inženýrských genových sítí  // Nature Biotechnology  : journal  . - Nature Publishing Group , 2005. - Březen ( vol. 23 ). - str. 377-383 . - doi : 10.1038/nbt1075 . — PMID 15765094 .

Slovníky a encyklopedie	velká čínština Britannica (online)
V bibliografických katalozích	BNF : 15597104x GND : 4809615-5 J9U : 987007549781405171 LCCN : sh2008002926 NDL : 00870420