Что такое системная биология
Системная биология
оглавление
Определения
история
Широкое использование Интернета было основным условием прорыва в системной биологии, поскольку только тогда стало возможным совместное использование огромных объемов данных в рамках международного сотрудничества.
Текущее состояние науки можно найти в специализированных журналах, таких как Molecular Systems Biology, а также на многочисленных международных конгрессах, таких как Б. преследовать ICSB.
Методические подходы
Подход системной биологии включает повторяющиеся циклы экспериментов и моделирование на основе гипотез :
Используя эти математические модели, можно предсказать поведение системы в определенных условиях и, в конечном итоге, разработать новые стратегии для управления клетками и управления ими, что в конечном итоге может привести к разработке новых лекарств.
В основном различают
Математика и моделирование
Примеры системной биологии
Биохимические сети в клетках должны надежно функционировать в хаотической среде с несовершенными компонентами. В 2005 году Маркус Коллман и его коллеги смогли показать с помощью комбинации экспериментов и компьютерного моделирования, что Escherichia coli имеет самую маленькую и достаточно надежную хемотаксическую систему, которая обеспечивает точный хемотаксический ответ организма при минимальных затратах для организма.
Финансирование проектов
Национальный
Системная биология и разработка ее методов устойчиво финансируются ЕС в рамках 6-й и 7-й рамочной программы. Федеральное министерство образования и научных исследований (BMBF) оказывает содействие системной биологии с 2004 года в рамках научно- исследовательского проекта HepatoSys (Competence Network Systems Biology гепатоцитов).
Транснациональный
критика
Нобелевский лауреат и биолог Сидней Бреннер охарактеризовал эту область в своей статье как «низкие затраты, высокая производительность, отсутствие научных результатов».
Системная биология
Является междисциплинарной наукой о жизни. Направлена на изучение сложных взаимодействий в живых системах. Использует новый подход в биологии: холизм вместо редукционизма. Основное внимание в системной биологии уделяется так называемым эмерджентным свойствам, то есть свойствам биологических систем, которые невозможно объяснить только с точки зрения свойств ее компонентов. Таким образом задачами системной биологии являются исследование и моделирование свойств сложных биологических систем, которые нельзя объяснить суммой свойств ее составляющих.
Широкое распространение термин «системная биология» получил после 2000-го года.
Системная биология имеет связь с математической биологией.
Содержание
Значения
Системная биология может пониматься как:
Различие в понимании системной биологии объясняется тем фактом, что данное понятие относится скорее к совокупности пересекающихся концепций, чем к одному строго определенному направлению. Несмотря на различие в понимании целей и методов системной биологии, термин широко используется исследователями, в том числе как часть названий научных подразделений и целых институтов по всему миру.
История
Предпосылками появления системной биологии являются:
Формально первая работа по системной биологии, как самостоятельной дисциплине, была представлена системным теоретиком Михайло Месарович в 1966 году на международном симпозиуме в Институте технологии в Кливленде (США, штат Огайо) под названием «Системная теория и биология». [8] [9]
В 60-х, 70-х годах двадцатого века был разработан ряд подходов для изучения сложных молекулярных систем, таких как теория контроля метаболизма и теория биохимических систем. Успехи молекулярной биологии в 80-х годах при некотором спаде интереса к теоретической биологии вообще, которая обещала больше, чем смогла достичь, привели к падению интереса к моделированию биологических систем.
Тем не менее, рождение функциональной геномики в 1990-х годах привело к доступности большого количества данных высокого качества, что совместно с бумом в развитии вычислительной техники, позволило создавать более реалистичные модели. В 1997 году группа Масару Томита опубликовала первую численную модель метаболизма целой (гипотетической) клетки. Термин «системная биология» может быть также найден в статье В. Зиглгансберга и Т. Толле, опубликованной в 1993 году. В течение 1990-х годов Б. Зенг создал ряд концепций, моделей и терминов: системная медицина (апрель 1992), системная биоинженерия (июнь 1994) и системная генетика (ноябрь 1994).
В течение 2000-х годов, когда создавались институты системной биологии в Сиэтле и Токио, системная биология вступила в полные права, будучи вовлеченной в различные геномные проекты, обрабатывая и интерпретируя данные из «-омик» (протеомика, метаболомика), помогая в интерпретации прочих высокопроизводительных экспериментов, включая биоинформатику. По состоянию на лето 2006 года в связи с нехваткой системных биологов [10] было создано несколько учебных центров по всему миру.
Экспериментальные методы системной биологии
Для верификации создаваемых моделей системная биология работает с самыми различными типами экспериментальных данных, описывающих как отдельные составляющие, так и систему в целом. Зачастую в качестве исходной информации для формулировки гипотез и выводов используются данные, полученные в других областях биологии: биохимии, биофизики, молекулярной биологии. Тем не менее, существует ряд специфичных методов, прочно ассоциируемых с системной биологией. Эти методы характеризует большое количество экспериментальных измерений, а также одновременное детектирование многих характеристик, что стало возможным с появлением автоматизированных потоковых методик экспериментов.
Примерами таких методов могут являться:
Кроме представленных методов измерения уровня молекул, существуют также более сложные методы, позволяющие измерять динамику характеристик во времени и взаимодействие между компонентами:
Многие перечисленные методики в настоящее время все ещё активно развиваются как в направлении увеличения точности и информативности измерений, так и в способах численной обработки получаемых данных.
Инструменты системной биологии
Метаболический или сигнальный путь может быть описан математически на основе теорий ферментативной или химической кинетики. Для анализа полученных систем могут применяться математические методы нелинейной динамики, теории случайных процессов, либо использоваться теория управления.
Из за сложности объекта изучения, большого количества параметров, переменных и уравнений, описывающих биологическую систему, современная системная биология немыслима без использования компьютерных технологий. Компьютеры используются для решения систем нелинейных уравнений, изучения устойчивости и чувствительности системы, определения неизвестных параметров уравнений по экспериментальным данным. Новые компьютерные технологии оказывают существенное влияние на развитие системной биологии. В частности, использование исчисления процессов, автоматических средств поиска информации в публикациях, вычислительная лингвистика, разработка и наполнение общедоступных баз данных.
В рамках системной биологии ведется работа над созданием собственных программных средств для моделирования и универсальных языков для хранения и аннотации моделей. В качестве примера можно привести SBML, CellML (расширения XML для записи моделей), а также SBGN (язык графического представления структуры взаимодействий элементов биологических систем).
Системная биология
Системная биология — научная дисциплина, образовалась в результате пересечения биологии и теории сложных систем. Впервые термин был использован 1993 г. в статье авторов W. Zieglgänsberger и TR. Tölle.
Системная биология является междисциплинарной наукой о жизни. Направлена на изучение сложных взаимодействий в живых системах. Использует новый подход в биологии: холизм вместо редукционизма. Основное внимание в системной биологии уделяется эмерджентным свойствам, то есть свойствами биологических систем, которые невозможно объяснить только с точки зрения свойств ее компонентов. Таким образом задачами системной биологии является исследование и моделирование свойств сложных биологических систем, которые нельзя объяснить суммой свойств ее составляющих.
Широкое распространение термин «системная биология» получил после 2000-го года. Системная биология имеет связь с математической биологией.
Значение
Системная биология может пониматься как:
Разница в понимании системной биологии объясняется тем фактом, что это понятие относится скорее к совокупности простых концепций, чем к одному четко определенного направления. Несмотря на различие в понимании целей и методов системной биологии, термин широко используется исследователями, в том числе как часть названий научных подразделений и целых институтов по всему миру.
История
Предпосылками появления системной биологии являются:
Основателем системной биологии можно считать Людвига фон Берталанфи, основателя общей теории систем, автора книги «Общая теория систем в физике и биологии», опубликованной в 1950 году. Одной из первых численных моделей в биологии является модель британских нейрофизиологов и лауреатов нобелевской премии Ходжкина и Хаксли, опубликованной в 1952 году. Авторы создали математическую модель, объясняющую распространение потенциала действия вдоль аксона нейрона. Их модель описывала механизм распространения потенциала как взаимодействие между двумя различными молекулярными компонентами: каналами для калия и натрия, что можно считать началом вычислительной системной биологии. В 1960 году на основе модели Ходжкина и Хаксли, Денис Нобл создал первую компьютерную модель сердечного ритма.
Формально первая работа с системной биологии, как самостоятельной дисциплины, была представлена системным теоретиком Михаилом Месаровичем, в 1966 году на международном симпозиуме в Институте технологии в Кливленде (США, штат Огайо) под названием «Системная теория и биология».
Во второй половине двадцатого века был разработан ряд подходов для изучения сложных молекулярных систем, таких как теория контроля метаболизма и теория биохимических систем. Успехи молекулярной биологии в 80-х годах при некотором спаде интереса к теоретической биологии вообще, которая обещала больше чем смогла достичь, привели к падению интереса к моделированию биологических систем.
В начале двадцать первого века, когда создавались институты системной биологии в Сиэтле и Токио, системная биология вступила в полные права. Будучи вовлеченной в различные геномные проекты, помогая в интерпретации других высокопроизводительных экспериментов, включая биоинформатику. По состоянию на 2006 год, в связи с нехваткой системных биологов было создано несколько учебных центров по всему миру.
Экспериментальные методы системной биологии
Для верификации создаваемых моделей системная биология работает с самыми разными типами экспериментальных данных, описывающих как отдельные составляющие, так и систему в целом. Чаще всего в качестве исходной информации для формулирования гипотез и выводов используются данные, полученные в других областях биологии: биохимии, биофизики, молекулярной биологии. Однако, существует ряд специфических методов, прочно ассоциированных с системной биологией. Эти методы характеризует большое количество экспериментальных измерений, а также одновременное детектирования многих характеристик, стало возможным с появлением автоматизированных поточных методик экспериментов.
Примерами таких методов могут быть:
Кроме представленных методов измерения уровня молекул, существуют также сложные методы, позволяющие определять динамику характеристик во времени и взаимодействие между компонентами:
Перечисленные методики все еще активно развиваются как в направлении увеличения точности и информативности измерений, так и в способах численной обработки получаемых данных.
Инструменты системной биологии
Исследования в области системной биологии чаще всего заключаются в разработке механической модели сложной биологической системы, то есть модели, сконструированной на основе количественных данных об элементарных процессах, составляющих систему.
Метаболический или сигнальный путь может быть описан математически на основе теорий ферментативной или химической кинетики. Для анализа полученных систем могут применяться математические методы нелинейной динамики, теории случайных процессов, или использоваться теория управления.
Из-за сложностей исследуемого объекта, большого количества параметров, переменных и уравнений, описывающих биологическую систему, современная системная биология невозможна без использования компьютерных технологий. Компьютеры используются для решения систем нелинейных уравнений, изучение устойчивости и чувствительности системы, определение неизвестных параметров уравнений по экспериментальным данным. Новые компьютерные технологии оказывают существенное влияние на развитие системной биологии. В частности, использование вычислительных процессов, автоматических средств поиска информации в публикациях, вычислительной лингвистики, разработка и наполнение общедоступных баз данных.
В рамках системной биологии проводится работа над созданием собственных программных средств для моделирования и универсальных языков для хранения и аннотации моделей. В качестве примера можно привести SBML, CellML — расширение XML для записи моделей, а также SBGN — язык графического представления структуры взаимодействий элементов биологических систем.
Системная биология
СОДЕРЖАНИЕ
Обзор [ править ]
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). ). [5] [6] [7]
Как социологическое явление, определяемое стратегией интеграции сложных данных о взаимодействиях в биологических системах из различных экспериментальных источников с использованием междисциплинарных инструментов и персонала. [12]
История [ править ]
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. [13] Кафедра системной биологии в Гарвардской медицинской школе была открыта в 2003 году. [14] В 2006 году было предсказано, что ажиотаж, вызванный «очень модной» новой концепцией, заставит все крупные университеты нуждаться в отделении системной биологии, таким образом, для выпускников с минимальными способностями в компьютерном программировании и биологии будут доступны вакансии. [13] В 2006 году Национальный научный фонд поставил задачу построить математическую модель всей клетки. [ необходима цитата ] 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. [15]
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. [17] Вторя ему сорок лет спустя, в 2006 году, Клинг пишет, что успех молекулярной биологии на протяжении 20-го века подавлял целостные вычислительные методы. [13] К 2011 году Национальный институт здравоохранения выделил грант на поддержку более десяти центров системной биологии в США, [23] но к 2012 году Хантер пишет, что системная биология не оправдала шумиху, пообещав больше, чем достигла, что привело к тому, что она стала несколько второстепенной областью с немногими практическими приложениями. Тем не менее, сторонники надеялись, что в будущем это может оказаться более полезным. [24]
Связанные дисциплины [ править ]
Вот длинный список случайных вещей, которые могут быть в базе данных компьютера:
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. [29]
Биоинформатика и анализ данных [ править ]
Создание биологических моделей [ править ]
Системная биология это вычислительный и математический анализ и моделирование сложных биологические системы. Это биология-основанная междисциплинарная область исследования, которая фокусируется на сложных взаимодействиях в биологических системах с использованием целостного подхода (холизм вместо более традиционного редукционизм) к биологическим исследованиям. [1] Когда он пересекает поле теория систем и Прикладная математика методы, он развивается в подраздел сложная системная биология.
Содержание
Обзор
Системную биологию можно рассматривать с разных сторон.
В качестве области исследования, в частности, изучения взаимодействий между компонентами биологических систем и того, как эти взаимодействия приводят к функциям и поведению этой системы (например, ферменты и метаболиты в метаболический путь или сердце бьется). [5] [6] [7]
Как применение теория динамических систем к молекулярная биология. Действительно, ориентация на динамику изучаемых систем является основным концептуальным отличием системной биологии от биоинформатика. [11]
Как соционаучный явление, определяемое стратегией интеграции сложных данных о взаимодействиях в биологических системах из различных экспериментальных источников с использованием междисциплинарных инструментов и персонала. [12]
Такое разнообразие точек зрения иллюстрирует тот факт, что системная биология относится к кластеру периферийно перекрывающихся концепций, а не к одной четко очерченной области. Тем не менее, этот термин получил широкое распространение и популярность с 2007 года, когда кафедры и институты системной биологии получили распространение по всему миру.
История
Системная биология уходит корнями в [ нужна цитата ] количественное моделирование кинетика ферментов, дисциплина, которая процветала между 1900 и 1970 годами, математическое моделирование динамика населения, моделирования, разработанные для изучения нейрофизиология, теория управления и кибернетика, и синергетика.
Одним из теоретиков, которого можно рассматривать как одного из предшественников системной биологии, является Людвиг фон Берталанфи с его общая теория систем. [13] Одно из первых численных расчетов в клеточная биология был опубликован в 1952 году британскими нейрофизиологами и лауреатами Нобелевской премии. Алан Ллойд Ходжкин и Эндрю Филдинг Хаксли, который построил математическую модель, объясняющую потенциал действия распространяется по аксон из нейронный клетка. [14] Их модель описывала клеточную функцию, возникающую в результате взаимодействия двух различных молекулярных компонентов: калий и натриевой канал, и поэтому может рассматриваться как начало вычислительная системная биология. [15] Также в 1952 году Алан Тьюринг опубликовал Химические основы морфогенеза, описывающий, как неоднородность могла возникнуть в изначально однородной биологической системе. [16]
В 1960 г. Денис Ноубл разработал первую компьютерную модель кардиостимулятор. [17]
Формальное изучение системной биологии как отдельной дисциплины было начато системным теоретиком Михайло Месарович в 1966 г. с международным симпозиумом на Кейс технологический институт в Кливленд, Огайопод названием «Теория систем и биология». [18] [19]
В 1960-х и 1970-х годах было разработано несколько подходов к изучению сложных молекулярных систем, таких как анализ метаболического контроля и теория биохимических систем. Успехи молекулярная биология на протяжении 1980-х гг. в сочетании со скептицизмом по отношению к теоретическая биология, которая тогда обещала больше, чем достигла, привело к тому, что количественное моделирование биологических процессов стало несколько второстепенной областью. [20]
Примерно в 2000 году, после того, как в Сиэтл и Токио, системная биология возникла как самостоятельное движение, подстегиваемое завершением различных геномные проекты, большое увеличение данных от омики (например., геномика и протеомика) и сопутствующие достижения в высокопроизводительных экспериментах и биоинформатика. Вскоре после этого были основаны первые кафедры, полностью посвященные системной биологии (например, кафедра системной биологии Гарвардской медицинской школы). [28] ).
Важной вехой в развитии системной биологии стал международный проект Физиома.
Сопутствующие дисциплины
Согласно интерпретации системной биологии как способности получать, интегрировать и анализировать сложные наборы данных из нескольких экспериментальных источников с использованием междисциплинарных инструментов, некоторые типичные технологические платформы являются феномена, организменная изменчивость фенотип как он меняется в течение своей жизни; геномика, организменный дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК), включая внутриорганические клеточные вариации. (т.е. теломер вариация длины); эпигеномика/эпигенетика, организменные и соответствующие клеточно-специфические транскриптомные регулирующие факторы, не закодированные эмпирически в геномной последовательности. (т.е. Метилирование ДНК, Ацетилирование и деацетилирование гистонов, так далее.); транскриптомика, организменный, тканевый или целая клетка экспрессия гена измерения ДНК-микрочипы или же серийный анализ экспрессии генов; интерферомикафакторы, корректирующие транскрипт на уровне организма, ткани или клетки (т.е. РНК-интерференция), протеомика, измерения белков и пептидов на уровне организма, ткани или клетки с помощью двумерный гель-электрофорез, масс-спектрометрии или многомерные методы идентификации белков (продвинутые ВЭЖХ системы в сочетании с масс-спектрометрии). Поддисциплины включают фосфопротеомика, гликопротеомика и другие методы обнаружения химически модифицированных белков; метаболомика, измерения малых молекул, известных как метаболиты в системе на уровне организма, клетки или ткани; [33] гликомика, организменные, тканевые или клеточные измерения углеводы; липидомика, организменные, тканевые или клеточные измерения липиды.
В дополнение к идентификации и количественной оценке указанных выше молекул, дополнительные методы анализируют динамику и взаимодействия внутри клетки. Изученные взаимодействия включают взаимодействия в организме, ткани, клетки и молекулы внутри клетки (интерактомика). [34] В настоящее время авторитетной молекулярной дисциплиной в этой области исследований является белок-белковые взаимодействия (PPI), хотя рабочее определение не исключает включения других молекулярных дисциплин. Эти молекулярные дисциплины включают; нейроэлектродинамика, организменная сеть, в которой вычислительная функция мозга как динамической системы включает лежащие в основе биофизические механизмы и возникающие вычисления посредством электрических взаимодействий; [35] флюксомика, измерения молекулярных динамических изменений во времени в такой системе, как клетка, ткань или организм; [33] биомика, системный анализ биом; и молекулярная биокинематика, исследование «биологии в движении» сосредоточено на том, как клетки переходят между устойчивыми состояниями, такими как молекулярный механизм белков. [36]
В подходе к проблеме системной биологии есть два основных подхода. Это подход сверху вниз и снизу вверх. Подход «сверху вниз» учитывает как можно большую часть системы и в значительной степени полагается на экспериментальные результаты. В РНК-последовательность Методика 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. [37]
Различные технологии, используемые для регистрации динамических изменений мРНК, белков и посттрансляционных модификаций. Механобиология, силы и физические свойства на всех уровнях, их взаимодействие с другими регулирующими механизмами; [38] биосемиотика, анализ системы подписывать отношения организма или других биосистем; Физиомика, систематическое изучение физиом в биологии.
Исследования часто сочетаются с методами крупномасштабных возмущений, в том числе генными (РНКи, неправильное выражение дикого типа и мутантные гены) и химические подходы с использованием библиотек малых молекул. [ нужна цитата ] Роботы а автоматизированные датчики позволяют проводить такие крупномасштабные эксперименты и сбор данных. Эти технологии все еще появляются, и многие сталкиваются с проблемами, заключающимися в том, что чем больше количество данных, тем ниже их качество. [ нужна цитата ] Широкий круг ученых-количественников (вычислительные биологи, статистики, математики, компьютерные ученые и физики) работают над улучшением качества этих подходов, а также над созданием, уточнением и повторным тестированием моделей для точного отражения наблюдений.
Подход системной биологии часто включает в себя разработку механистический модели, такие как реконструкция динамические системы от количественных свойств их элементарных строительных блоков. [41] [42] [43] [44] Например, сотовую сеть можно смоделировать математически, используя методы, взятые из химическая кинетика [45] и теория управления. Из-за большого количества параметров, переменных и ограничений в сотовых сетях часто используются численные и вычислительные методы (например, анализ баланса потоков). [43] [45]
Биоинформатика и анализ данных
Другие аспекты информатики, информатика, а статистика также используется в системной биологии. К ним относятся новые формы вычислительных моделей, такие как использование технологические расчеты для моделирования биологических процессов (известные подходы включают стохастические π-исчисление, BioAmbients, Beta Binders, BioPEPA и Brane Calculus) и ограничениемоделирование на основе; интеграция информации из литературы с использованием методик извлечение информации и интеллектуальный анализ текста; [46] разработка онлайн-баз данных и репозиториев для обмена данными и моделями, подходы к интеграции баз данных и совместимость программного обеспечения через Слабая связь 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 кластера 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. [47] 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. [48]
Создание биологических моделей
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 в виде математической модели, в которой эксперименты могут определять значения параметров для использования в дифференциальные уравнения. [50] Эти значения параметров будут скоростями реакции каждого взаимодействия белков в системе. Эта модель определяет поведение определенных белков в биологических системах и дает новое понимание специфической активности 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. [51] [49]