Войти
Моделирование биологических систем - важная задача системной биологии и математической биологии. Вычислительная системная биология направлена на разработку и использование эффективных алгоритмов, структур данных, средств визуализации и коммуникации с целью компьютерного моделирования биологических систем. Он включает использование компьютерного моделирования биологических систем, включая клеточные подсистемы (таких как сети метаболитов и ферментов, которые включают метаболизм, пути передачи сигналов и сети регуляции генов ), как для анализа, так и для визуализации сложных связей этих клеточных процессов.
Неожиданное возникающее свойство из сложной системы может быть результатом взаимодействия причинно-следственного среди проще, интегрированные частей (см биологической организации ). Биологические системы демонстрируют множество важных примеров эмерджентных свойств в сложном взаимодействии компонентов. Традиционное изучение биологических систем требует редуктивных методов, в которых количество данных собирается по категориям, например, концентрация во времени в ответ на определенный стимул. Компьютеры имеют решающее значение для анализа и моделирования этих данных. Цель состоит в том, чтобы создать в реальном времени точные модели реакции системы на внешние и внутренние стимулы, такие как модель раковой клетки, чтобы найти слабые места в ее сигнальных путях, или моделирование мутаций ионных каналов, чтобы увидеть влияние на кардиомиоциты и в свою очередь, функция бьющегося сердца.
Безусловно, наиболее широко распространенным стандартным форматом для хранения и обмена моделями в полевых условиях является язык разметки системной биологии (SBML). Веб- сайт SBML.org включает руководство по многим важным программным пакетам, используемым в вычислительной системной биологии. Большое количество моделей, закодированных в SBML, можно получить из биомоделей. Другие языки разметки с различными акцентами включают BioPAX и CellML.
Часть клеточного цикла 
Пищевая сеть Саммерхейса и Элтона 1923 года на Медвежьем острове ( стрелки представляют организм, потребляемый другим организмом). 
Образец временных рядов в модели Лотки-Вольтерра. Обратите внимание, что две популяции демонстрируют циклическое поведение. Создание клеточной модели было особенно сложной задачей системной биологии и математической биологии. Он включает использование компьютерного моделирования многих клеточных подсистем, таких как сети метаболитов, ферменты, которые включают метаболизм и транскрипцию, трансляцию, регуляцию и индукцию регуляторных сетей генов.
Сложная сеть процессов биохимических реакций / переноса и их пространственная организация делают разработку прогнозной модели живой клетки серьезной задачей 21 века, внесенной в список Национального научного фонда (NSF) в 2006 году.
Вычислительная модель целой клетки для бактерии Mycoplasma genitalium, включая все ее 525 генов, генные продукты и их взаимодействия, была построена учеными из Стэнфордского университета и Института Дж. Крейга Вентера и опубликована 20 июля 2012 года в журнале Cell.
На основе динамической компьютерной модели внутриклеточной передачи сигналов компания Merrimack Pharmaceuticals обнаружила мишень для своего лекарства от рака MM-111.
Мембранные вычисления - это задача моделирования клеточной мембраны.
Сообщество OpenWorm проводит имитацию C. elegans на клеточном уровне с открытым исходным кодом. На данный момент был построен физический движок Gepetto, и модели нейронного коннектома и мышечной клетки были созданы в формате NeuroML.
Прогнозирование структуры белка - это предсказание трехмерной структуры белка по его аминокислотной последовательности, то есть предсказание третичной структуры белка по его первичной структуре. Это одна из важнейших целей биоинформатики и теоретической химии. Прогнозирование структуры белка имеет большое значение в медицине (например, при разработке лекарств ) и биотехнологии (например, при разработке новых ферментов ). Каждые два года эффективность существующих методов оценивается в эксперименте CASP.
Проект Blue Brain попытка создать синтетический мозг, реверс-инжиниринг в мозге млекопитающих, вплоть до молекулярного уровня. Целью этого проекта, основанного в мае 2005 года Институтом мозга и разума Политехнической школы в Лозанне, Швейцария, является изучение архитектурных и функциональных принципов мозга. Проект возглавляет директор института Генри Маркрам. Используя суперкомпьютер Blue Gene с программным обеспечением NEURON Майкла Хайнса, моделирование состоит не только из искусственной нейронной сети, но и включает частично биологически реалистичную модель нейронов. Его сторонники надеются, что в конечном итоге он прольет свет на природу сознания. Существует ряд подпроектов, в том числе Cajal Blue Brain, координируемый Мадридским центром суперкомпьютеров и визуализации (CeSViMa), и другие, реализуемые университетами и независимыми лабораториями в Великобритании, США и Израиле. Проект "Человеческий мозг" основан на работе проекта "Голубой мозг". Это один из шести пилотных проектов в Программе исследований будущих новых технологий Европейской комиссии, претендующих на финансирование в размере миллиарда евро.
В последнее десятилетие наблюдается рост числа симуляторов иммунной системы.
Проект Virtual Liver - это исследовательская программа стоимостью 43 миллиона евро, финансируемая правительством Германии, состоящая из семидесяти исследовательских групп, распределенных по всей Германии. Цель состоит в том, чтобы создать виртуальную печень, динамическую математическую модель, которая представляет физиологию, морфологию и функцию печени человека.
Электронные деревья (е-деревья) обычно используют L-системы для имитации роста. L-системы очень важны в области науки о сложности и A-жизни. Все еще предстоит разработать общепринятую систему для описания изменений морфологии растений на клеточном или модульном уровне. Наиболее широко применяемые алгоритмы генерации деревьев описаны в статьях «Создание и рендеринг реалистичных деревьев» и «Рендеринг дерева в реальном времени».
Экосистемные модели - это математические представления экосистем. Как правило, они упрощают сложные foodwebs вплоть до их основных компонентов или трофических уровней, и количественно их либо как числа организмов, биомассы или запасов / концентрации какого - либо соответствующего химического элемента (например, углерод или его питательных видов, таких как азот или фосфор ).
Целью моделей в экотоксикологии является понимание, моделирование и прогнозирование эффектов, вызываемых токсичными веществами в окружающей среде. Большинство современных моделей описывают воздействие на один из многих различных уровней биологической организации (например, на организмы или популяции). Проблема заключается в разработке моделей, которые предсказывают эффекты в биологических масштабах. В экотоксикологии и моделях обсуждаются некоторые типы экотоксикологических моделей и даются ссылки на многие другие.
Можно математически смоделировать развитие большинства инфекционных заболеваний, чтобы определить вероятный исход эпидемии или помочь справиться с ними с помощью вакцинации. Это поле пытается найти параметры для различных инфекционных заболеваний и использовать эти параметры для выполнения полезных расчетов о последствиях программы массовой вакцинации.
