Biologia sistemelor

Versiunea actuală a paginii nu a fost încă examinată de colaboratori experimentați și poate diferi semnificativ de versiunea revizuită la 6 aprilie 2016; verificările necesită 13 modificări .

Biologia sistemelor  este o direcție științifică interdisciplinară formată la intersecția dintre biologie și teoria sistemelor complexe , axată pe studiul interacțiunilor complexe în sistemele vii. Termenul a fost folosit pentru prima dată într-un articol din 1993 de W. Zieglgänsberger și TR. Tölle [1] . Termenul de „biologie a sistemelor” a devenit larg răspândit după 2000 .

Formează o nouă abordare a interpretării rezultatelor în biologia secolului 21 în loc de reducționism , tradițional pentru biologia secolelor trecute, iar o astfel de abordare nouă este denumită în prezent holism . si integrationism ing.  integraționism ) [2] . Atenția principală în biologia sistemelor este acordată așa-numitelor proprietăți emergente , adică proprietăților sistemelor biologice care nu pot fi explicate doar prin prisma proprietăților componentelor sale.

Înțelegerea (înțelegerea în limba engleză  ) a biologiei la nivel de sistem face posibilă înțelegerea mai corectă a structurii, dinamicii și funcțiilor atât ale unei singure celule, cât și ale organismului ca întreg decât atunci când se iau în considerare părți separate ale unei celule sau organism [2] [3 ] ] .

Biologia sistemelor este strâns legată de biologia matematică .

Valori

Biologia sistemelor poate fi înțeleasă ca:

Diferența de înțelegere a biologiei sistemelor se explică prin faptul că acest concept se referă mai mult la un set de concepte care se intersectează decât la o direcție strict definită. În ciuda diferenței de înțelegere a obiectivelor și metodelor biologiei sistemelor, termenul este utilizat pe scară largă de către cercetători, inclusiv ca parte a numelor departamentelor științifice și ale institutelor întregi din întreaga lume.

Istorie

Condițiile prealabile pentru apariția biologiei sistemelor sunt:

Pionierul biologiei sistemelor poate fi considerat Ludwig von Bertalanffy , creatorul teoriei generale a sistemelor , autorul cărții „Teoria generală a sistemelor în fizică și biologie”, publicată în 1950 . Unul dintre primele modele numerice din biologie este modelul publicat în 1952 de neurofiziologii britanici și laureații Nobel Hodgkin și Huxley . Autorii au creat un model matematic care explică propagarea potențialului de acțiune de-a lungul axonului neuronului [7] . Modelul lor a descris mecanismul potențial de propagare ca o interacțiune între două componente moleculare diferite: canale pentru potasiu și sodiu, care pot fi privite drept începutul biologiei sistemelor computaționale [8] . În 1960, pe modelul lui Hodgkin și Huxley, Denis Noble a creat primul model computerizat al stimulatorului cardiac [9] .

Formal, prima lucrare despre biologia sistemelor ca disciplină independentă a fost prezentată de teoreticianul sistemelor Mikhailo Mesarovic în 1966 la un simpozion internațional la Institutul de Tehnologie din Cleveland (SUA, Ohio) sub titlul „Teoria și biologia sistemelor”. [10] [11]

În anii 60 și 70 ai secolului XX, au fost dezvoltate o serie de abordări pentru a studia sisteme moleculare complexe, cum ar fi teoria controlului metabolic și teoria sistemelor biochimice . Succesele biologiei moleculare din anii 80 , cu o oarecare scădere a interesului pentru biologia teoretică în general, care promitea mai mult decât ar putea realiza, au condus la o scădere a interesului pentru modelarea sistemelor biologice.

Cu toate acestea, nașterea genomicii funcționale în anii 1990 a dus la disponibilitatea unei cantități mari de date de înaltă calitate, care, împreună cu boom-ul tehnologiei de calcul, a permis crearea unor modele mai realiste. În 1997, grupul lui Masaru Tomiță a publicat primul model numeric al metabolismului celular întreg (ipotetic). Termenul „biologie a sistemelor” poate fi găsit și într-un articol din 1993 al lui W. Sieglgansberg și T. Tolle . În anii 1990, B. Zeng a creat o serie de concepte, modele și termeni: medicină a sistemelor (aprilie 1992 ), bioinginerie a sistemelor (iunie 1994 ) și genetică a sistemelor (noiembrie 1994).

În anii 2000 , când au fost înființate Institutele de Biologie a Sistemelor în Seattle și Tokyo, Biologia Sistemelor și-a devenit proprie, fiind implicată în diverse proiecte genomice, procesând și interpretând date din „-omics” (proteomică, metabolomică), ajutând la interpretarea altor -experimente de debit, inclusiv bioinformatica . Începând cu vara anului 2006, din cauza lipsei de biologi de sisteme [12] , au fost înființate mai multe centre de formare în întreaga lume.

O etapă importantă în dezvoltarea biologiei sistemelor a fost proiectul internațional Physiom .

Metode experimentale în biologia sistemelor

Pentru a verifica modelele create, biologia sistemelor lucrează cu o varietate de tipuri de date experimentale care descriu atât componentele individuale, cât și sistemul în ansamblu. Adesea, ca informații inițiale pentru formularea ipotezelor și concluziilor, se folosesc date obținute în alte domenii ale biologiei: biochimie , biofizică , biologie moleculară . Cu toate acestea, există o serie de metode specifice puternic asociate cu biologia sistemelor. Aceste metode caracterizează un număr mare de măsurători experimentale, precum și detectarea simultană a multor caracteristici, care au devenit posibile odată cu apariția tehnicilor experimentale de streaming automate.

Exemple de astfel de metode pot fi:

Pe lângă metodele prezentate pentru măsurarea nivelului moleculelor, există și metode mai complexe care vă permit să măsurați dinamica caracteristicilor în timp și interacțiunea dintre componente:

Multe dintre metodele enumerate sunt încă în curs de dezvoltare activ atât în ​​direcția creșterii acurateței și a conținutului informațional al măsurătorilor, cât și în metodele de prelucrare numerică a datelor obținute.

Instrumente de biologie a sistemelor

Cercetarea în domeniul biologiei sistemelor constă cel mai adesea în dezvoltarea unui model mecanicist al unui sistem biologic complex, adică a unui model construit pe baza datelor cantitative privind procesele elementare care alcătuiesc sistemul [13] [14] .

Calea metabolică sau de semnalizare poate fi descrisă matematic pe baza teoriilor cineticii enzimatice sau chimice . Metodele matematice ale dinamicii neliniare , teoria proceselor aleatoare sau teoria controlului pot fi folosite pentru analiza sistemelor obţinute .

Datorită complexității obiectului de studiu, a unui număr mare de parametri, variabile și ecuații care descriu un sistem biologic, biologia sistemelor moderne este de neconceput fără utilizarea tehnologiei computerizate. Calculatoarele sunt folosite pentru a rezolva sisteme de ecuații neliniare, pentru a studia stabilitatea și sensibilitatea sistemului, pentru a determina parametrii necunoscuți ai ecuațiilor din datele experimentale. Noile tehnologii informatice au un impact semnificativ asupra dezvoltării biologiei sistemelor. În special, utilizarea proceselor de calcul , mijloace automate de regăsire a informațiilor în publicații, lingvistică computațională , dezvoltarea și completarea bazelor de date publice .

În cadrul biologiei sistemelor, se lucrează pentru a crea propriile noastre instrumente software pentru modelare și limbaje universale pentru stocarea și adnotarea modelelor. Exemplele includ SBML , CellML ( extensii XML pentru modele de scriere), precum și SBGN (limbaj pentru reprezentarea grafică a structurii interacțiunilor dintre elementele sistemelor biologice).

Vezi și

Domenii conexe

Note

  1. ↑ [https://web.archive.org/web/20160601054428/https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/8219729 Arhivat la 1 iunie 2016 la Wayback Machine Farmacologia semnalizării durerii. [Curr Opin Neurobiol. 1993] - rezultat PubMed]
  2. ↑ 1 2 Peter Kohl, Denis Noble , Raimond L. Winslow și Peter J. Hunter. Modelarea computațională a sistemelor biologice: instrumente și viziuni   // Phil . Trans. R. Soc. Lond. Un bustean. - 2000. - Vol. 358 , nr. 1766 . - P. 579-610 . — ISSN 1364-503X . doi : 10.1098 / rsta.2000.0547 .
  3. ↑ Hiroaki Kitano. Biologia sistemelor: o scurtă prezentare generală   // Știință . - 2002. - 1 martie ( vol. 295 ). - P. 1662-1664 . - doi : 10.1126/science.1069492 .
  4. ↑ Sauer, U. și colab. Apropiindu-vă de imaginea de ansamblu   // Știință . - 2007. - 27 aprilie ( vol. 316 ). — P. 550 . - doi : 10.1126/science.1142502 . — PMID 17463274 .
  5. ↑ Denis Noble . Muzica vieții: Biologie dincolo de genom  (engleză) . - Oxford University Press , 2006. - ISBN 978-0199295739 . p21
  6. ↑ Kholodenko BN, Bruggeman FJ, Sauro HM; Alberghina L. și Westerhoff HV (eds.) (2005.). „Abordări mecaniciste și modulare ale modelării și inferenței rețelelor de reglementare celulare”. Biologia sistemelor: definiții și perspective . Springer-Verlag. p. 143. Parametru depreciat folosit |coauthors=( ajutor );Verificați data la |date=( ajutor în engleză )
  7. ↑ Hodgkin AL, Huxley AF O descriere cantitativă a curentului de membrană și aplicarea acesteia la conducerea și excitația în nervi  // ​​J  Physiol : jurnal. - 1952. - Vol. 117 , nr. 4 . - P. 500-544 . — PMID 12991237 .
  8. ↑ Le Novere; Le Novere, N.  The long travel to a System Biology of neuronal function  // BMC Systems Biology : jurnal. - 2007. - Vol. 1 . — P. 28 . - doi : 10.1186/1752-0509-1-28 . — PMID 17567903 .
  9. ↑ Noble D. Acțiunea cardiacă și potențialele stimulatorului cardiac bazate pe ecuațiile Hodgkin-Huxley  //  Nature: journal. - 1960. - Vol. 188 . - P. 495-497 . - doi : 10.1038/188495b0 . — PMID 13729365 .
  10. ↑ Mesarovic, M.D.Teoria și biologia  sistemelor (neopr.) . — Springer-Verlag , 1968.
  11. ↑ Un mijloc spre un nou holism   // Știință . — Vol. 161 , nr. 3836 . - P. 34-35 . - doi : 10.1126/science.161.3836.34 .
  12. ↑ Funcționarea sistemelor (downlink) . Consultat la 4 februarie 2010. Arhivat din original pe 16 aprilie 2012. 
  13. ↑ Gardner, TS; di Bernardo D., Lorenz D și Collins JJ Deducerea rețelelor genetice și identificarea compusului de acțiune prin profilarea expresiei  //  Science: journal. - 2003. - 4 iulie ( vol. 301 ). - P. 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 și Collins JJ  . - Nature Publishing Group , 2005. - Martie ( vol. 23 ). - P. 377-383 . - doi : 10.1038/nbt1075 . — PMID 15765094 .
  Accesați articolul Wikidata  Dicționare și enciclopedii
În cataloagele bibliografice
 Secțiuni de biologie