Войти
Иллюстрация системного подхода к биологии Системная биология - это вычислительный и математический анализ и моделирование сложных биологических систем. Это междисциплинарная область исследований, основанная на биологии, которая фокусируется на сложных взаимодействиях внутри биологических систем с использованием целостного подхода ( холизм вместо более традиционного редукционизма ) к биологическим исследованиям.
В частности, с 2000 года эта концепция широко использовалась в биологии в самых разных контекстах. Проект « Геном человека» - это пример прикладного системного мышления в биологии, который привел к новым совместным способам работы над проблемами в биологической области генетики. Одна из целей системной биологии - моделировать и обнаруживать эмерджентные свойства, свойства клеток, тканей и организмов, функционирующих как системы, теоретическое описание которых возможно только с использованием методов системной биологии. Обычно они включают метаболические сети или сети передачи сигналов клеток.
Системную биологию можно рассматривать с разных сторон.
В качестве области исследования, в частности, изучение взаимодействий между компонентами биологических систем и того, как эти взаимодействия приводят к функции и поведению этой системы (например, ферменты и метаболиты в метаболическом пути или сердцебиение).).
В качестве парадигмы системная биология обычно определяется как противоположность так называемой редукционистской парадигме ( биологическая организация ), хотя это согласуется с научным методом. В этих цитатах упоминается различие между двумя парадигмами: « редукционистский подход успешно идентифицировал большинство компонентов и многие взаимодействия, но, к сожалению, не предлагает убедительных концепций или методов для понимания того, как возникают системные свойства... плюрализм. причин и следствий в биологических сетях лучше решать, наблюдая с помощью количественных измерений одновременно несколько компонентов и путем строгой интеграции данных с математическими моделями ". (Зауэр и др.) «Системная биология... - это объединение, а не разборка, интеграция, а не редукция. Она требует, чтобы мы разработали способы мышления об интеграции, такие же строгие, как наши редукционистские программы, но разные.... Это означает изменение нашей философии в полном смысле этого слова ". ( Денис Ноубл )
В виде серии операционных протоколов, используемых для проведения исследований, а именно цикла, состоящего из теории, аналитического или вычислительного моделирования для предложения конкретных проверяемых гипотез о биологической системе, экспериментальной проверки и последующего использования недавно полученного количественного описания клеток или клеточных процессов для уточнения вычислительная модель или теория. Поскольку целью является модель взаимодействий в системе, наиболее подходящими для системной биологии экспериментальными методами являются общесистемные и стремятся быть как можно более полными. Поэтому для сбора количественных данных для построения и проверки моделей используются транскриптомика, метаболомика, протеомика и высокопроизводительные методы.
Как приложение теории динамических систем к молекулярной биологии. Действительно, ориентация на динамику изучаемых систем является основным концептуальным отличием системной биологии от биоинформатики.
Как социологическое явление, определяемое стратегией интеграции сложных данных о взаимодействиях в биологических системах из различных экспериментальных источников с использованием междисциплинарных инструментов и персонала.
Системная биология зародилась как новая область науки примерно в 2000 году, когда в Сиэтле был основан Институт системной биологии с целью привлечь людей «вычислительного» типа, которых, как казалось, не привлекала академическая среда университета. У института не было четкого определения того, чем на самом деле была эта область: примерно объединение людей из разных областей для использования компьютеров для целостного изучения биологии новыми способами. Кафедра системной биологии в Гарвардской медицинской школе была открыта в 2003 году. В 2006 году было предсказано, что ажиотаж, порожденный «очень модной» новой концепцией, заставит все крупные университеты нуждаться в кафедре системной биологии, что приведет к созданию карьеры. доступны для выпускников с минимальными способностями в компьютерном программировании и биологии. В 2006 году Национальный научный фонд поставил задачу построить математическую модель всей клетки. В 2012 году первая цельноклеточная модель Mycoplasma genitalium была создана лабораторией Карра в Медицинской школе Маунт-Синай в Нью-Йорке. Цельноклеточная модель способна предсказать жизнеспособность клеток M. genitalium в ответ на генетические мутации.
Более ранним предшественником системной биологии как отдельной дисциплины мог быть системный теоретик Михайло Месарович в 1966 году на международном симпозиуме под названием « Теория систем и биология» в Технологическом институте Кейса в Кливленде, штат Огайо. Месарович предсказал, что, возможно, в будущем появится такая вещь, как «системная биология».
По словам Роберта Розена в 1960-х годах, холистическая биология стала устаревшей к началу 20-го века, поскольку стала популярной эмпирическая наука, в которой преобладала молекулярная химия. Вторя ему сорок лет спустя, в 2006 году, Клинг пишет, что успех молекулярной биологии на протяжении 20-го века подавлял целостные вычислительные методы. К 2011 году Национальные институты здравоохранения выделили гранты для поддержки более десяти центров системной биологии в Соединенных Штатах, но к 2012 году Хантер пишет, что системная биология не оправдала шумиху, пообещав больше, чем достигла, что вызвало это должно стать несколько второстепенной областью с небольшими практическими приложениями. Тем не менее, сторонники надеялись, что это может когда-то оказаться более полезным в будущем.
Показывает тенденции в исследованиях системной биологии, представляя количество статей из 30 наиболее цитируемых работ по системной биологии за это время, которые включают конкретную тему. Важной вехой в развитии системной биологии стал международный проект Physiome.
Обзор путей передачи сигнала Согласно интерпретации системной биологии как использования больших наборов данных с использованием междисциплинарных инструментов, типичным приложением является метаболомика, которая представляет собой полный набор всех продуктов метаболизма, метаболитов в системе на уровне организма, клетки или ткани.
Элементы, которые могут быть компьютерной базой данных, включают: феномены, изменчивость фенотипа организма по мере его изменения в течение его жизни; геномика, последовательность дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) в организме, включая внутриорганические клеточные вариации. (т.е. изменение длины теломер ); эпигеномика / эпигенетика, организменные и соответствующие клеточно-специфические транскриптомные регулирующие факторы, не закодированные эмпирически в геномной последовательности. (т.е. метилирование ДНК, ацетилирование и деацетилирование гистонов и т. д.); транскриптомика, измерения экспрессии генов в организме, тканях или целых клетках с помощью микрочипов ДНК или серийный анализ экспрессии генов ; интерферомика, факторы, корректирующие транскрипт на уровне организма, ткани или клетки (т.е. интерференция РНК ), протеомика, измерение белков и пептидов на уровне организма, ткани или на уровне клеток с помощью двумерного гель-электрофореза, масс-спектрометрии или методов многомерной идентификации белков. (передовые системы ВЭЖХ в сочетании с масс-спектрометрией ). Поддисциплины включают фосфопротеомику, гликопротеомику и другие методы обнаружения химически модифицированных белков; гликомические, организменные, тканевые или клеточные измерения углеводов ; липидомические, организменные, тканевые или клеточные измерения липидов.
Также изучаются молекулярные взаимодействия внутри клетки, это называется интерактомикой. Дисциплиной в этой области исследования являются белок-белковые взаимодействия, хотя интерактомика включает в себя взаимодействия других молекул. Нейроэлектродинамика, в которой вычислительная функция компьютера или мозга как динамической системы изучается наряду с ее (био) физическими механизмами; и флюксомика, измерение скорости метаболических реакций в биологической системе (клетке, ткани или организме).
В подходе к проблеме системной биологии есть два основных подхода. Это подход сверху вниз и снизу вверх. Подход «сверху вниз» принимает во внимание как можно большую часть системы и в значительной степени полагается на экспериментальные результаты. Методика RNA-Seq является примером экспериментального подхода «сверху вниз». И наоборот, подход «снизу вверх» используется для создания подробных моделей с одновременным включением экспериментальных данных. Примером восходящего подхода является использование схемных моделей для описания простой генной сети.
Различные технологии, используемые для регистрации динамических изменений мРНК, белков и посттрансляционных модификаций. Механобиология, силы и физические свойства на всех уровнях, их взаимодействие с другими регуляторными механизмами; биосемиотика, анализ системы знаковых отношений организма или других биосистем; Физиомика, систематическое изучение физиома в биологии.
Системная биология рака является примером подхода системной биологии, который можно различить по конкретному объекту исследования ( туморогенез и лечение рака ). Он работает с конкретными данными (образцы пациентов, высокопроизводительные данные с особым вниманием к характеристике генома рака в образцах опухолей пациентов) и инструментами (иммортализованные линии раковых клеток, мышиные модели онкогенеза, модели ксенотрансплантатов, методы высокопроизводительного секвенирования, siRNA- основанный на сбивании генов высокопроизводительный скрининг, компьютерное моделирование последствий соматических мутаций и нестабильности генома ). Долгосрочная цель системной биологии рака - способность лучше диагностировать рак, классифицировать его и лучше прогнозировать исход предлагаемого лечения, что является основой для персонализированной медицины рака и виртуального пациента с раком в более отдаленной перспективе. Значительные усилия в области компьютерной системной биологии рака были предприняты для создания реалистичных многомасштабных in silico моделей различных опухолей.
Подход системной биологии часто включает разработку механистических моделей, таких как реконструкция динамических систем на основе количественных свойств их элементарных строительных блоков. Например, сотовую сеть можно смоделировать математически, используя методы химической кинетики и теории управления. Из-за большого количества параметров, переменных и ограничений в сотовых сетях часто используются численные и вычислительные методы (например, анализ баланса потока ).
Другие аспекты информатики, информатики и статистики также используются в системной биологии. К ним относятся новые формы вычислительных моделей, такие как использование вычислений процесса для моделирования биологических процессов (известные подходы включают стохастическое π-исчисление, BioAmbients, Beta Binders, BioPEPA и исчисление Брана) и моделирование на основе ограничений ; интеграция информации из литературы с использованием методов извлечения информации и интеллектуального анализа текста ; разработка онлайн-баз данных и репозиториев для обмена данными и моделями, подходов к интеграции баз данных и функциональной совместимости программного обеспечения посредством слабой связи программного обеспечения, веб-сайтов и баз данных или коммерческих исков; сетевые подходы к анализу многомерных наборов геномных данных. Например, взвешенный корреляционный сетевой анализ часто используется для идентификации кластеров (называемых модулями), моделирования взаимосвязи между кластерами, вычисления нечетких показателей членства в кластере (модуле), идентификации внутримодульных концентраторов и для изучения сохранности кластеров в других наборах данных; основанные на путях методы анализа данных omics, например подходы к идентификации и оценке путей с различной активностью их гена, белка или членов метаболита. Большая часть анализа наборов геномных данных также включает выявление корреляций. Кроме того, поскольку большая часть информации поступает из разных областей, необходима разработка синтаксически и семантически обоснованных способов представления биологических моделей.
Простая трехбелковая петля отрицательной обратной связи, смоделированная с помощью кинетических дифференциальных уравнений массового действия. Каждое взаимодействие белков описывается реакцией Михаэлиса-Ментен. Исследователи начинают с выбора биологического пути и построения диаграмм всех взаимодействий с белками. После определения всех взаимодействий белков кинетика массового действия используется для описания скорости реакций в системе. Кинетика массового воздействия предоставит дифференциальные уравнения для моделирования биологической системы как математической модели, в которой эксперименты могут определять значения параметров для использования в дифференциальных уравнениях. Эти значения параметров будут скоростью реакции каждого взаимодействия белков в системе. Эта модель определяет поведение определенных белков в биологических системах и дает новое представление о конкретных действиях отдельных белков. Иногда невозможно собрать все скорости реакции системы. Неизвестные скорости реакции определяются путем моделирования модели известных параметров и целевого поведения, которая обеспечивает возможные значения параметров.
Использование методов реконструкции и анализа на основе ограничений (COBRA) стало популярным среди системных биологов для моделирования и прогнозирования метаболических фенотипов с использованием моделей в масштабе генома. Одним из методов является подход анализа баланса потока (FBA), с помощью которого можно изучать биохимические сети и анализировать поток метаболитов через конкретную метаболическую сеть, максимизируя интересующий объект.
График зависимости концентраций от времени для простой петли отрицательной обратной связи из трех белков. Все параметры установлены на 0 или 1 для начальных условий. Реакции дают возможность продолжаться до тех пор, пока она не достигнет равновесия. Этот график показывает изменение каждого белка во времени. 