Rendszerbiológia

A rendszerbiológia egy interdiszciplináris tudományos irányzat, amely a biológia és a komplex rendszerelmélet  metszéspontjában alakult ki, és az élő rendszerek komplex kölcsönhatásainak vizsgálatára összpontosít. A kifejezést először W. Zieglgänsberger és TR egy 1993-as cikkében használták. Tölle [1] . A "rendszerbiológia" kifejezés 2000 után vált széles körben elterjedtté .

Az elmúlt évszázadok biológiájában hagyományos redukcionizmus helyett új megközelítést alkot a 21. századi biológiában az eredmények értelmezésében , és egy ilyen új megközelítést jelenleg holizmusnak neveznek. és integráció eng.  integráció ) [2] . A rendszerbiológiában a fő figyelem az úgynevezett felbukkanó tulajdonságokra irányul, vagyis a biológiai rendszerek azon tulajdonságaira, amelyek nem magyarázhatók csak a komponensek tulajdonságaival.

A biológia rendszerszintű megértése ( angolul  insight ) lehetővé teszi egy sejt és a szervezet egészének szerkezetének, dinamikájának és funkcióinak pontosabb megértését, mint egy sejt vagy szervezet különálló részeit tekintve [2] [3 ] .

A rendszerbiológia szorosan kapcsolódik a matematikai biológiához .

Értékek

A rendszerbiológia a következőképpen értelmezhető:

• A biológiai rendszerek alkotórészei közötti kölcsönhatások tanulmányozására irányuló kutatási terület, valamint az ezen kölcsönhatások eredményeként létrejövő funkciók és szisztémás tulajdonságok (például metabolitok és enzimek kölcsönhatása metabolikus rendszerekben) vizsgálatára.
• Tudományos paradigma , szemben az úgynevezett redukcionista paradigmával az összetett biológiai rendszerek vizsgálatában, de teljes mértékben összhangban van a megismerés tudományos módszerével [4] [5] .
• Kutatási protokollok készlete , nevezetesen egy kutatási ciklus, amely elméletből, analitikai vagy számítógépes szimulációból áll a rendszerre vonatkozó hipotézisek megfogalmazására, kísérleti ellenőrzésre, majd a kapott adatok felhasználásával a sejt vagy sejtfolyamatok leírására a számítógépes modell vagy elmélet javítása érdekében [ 6] . Mivel a cél a kölcsönhatások komplex rendszerben való modellezése, a rendszerbiológiában alkalmazott kísérleti technikáknak a lehető legrészletesebbnek kell lenniük. Emiatt a modellek ellenőrzésére olyan technikákat használnak, mint a transzkriptomika , metabolomika , proteomika és más nagy teljesítményű numerikus adatok gyűjtésére szolgáló technológiák.
• A dinamikus rendszerek elméletének alkalmazása biológiai folyamatokra.
• Társadalomtudományi jelenség , amelyet úgy határoznak meg, mint a biológiai rendszerek kölcsönhatásaira vonatkozó, különböző kísérleti forrásokból származó, interdiszciplináris módszerek segítségével nyert komplex adatok integrálását.

A rendszerbiológia megértésbeli különbségét az magyarázza, hogy ez a fogalom inkább egy egymást keresztező fogalmak halmazára vonatkozik, semmint egy szigorúan meghatározott irányra. A rendszerbiológia céljainak és módszereinek megértésében mutatkozó különbségek ellenére a kifejezést a kutatók széles körben használják, többek között tudományos osztályok és egész intézetek nevének részeként világszerte.

Történelem

A rendszerbiológia megjelenésének előfeltételei a következők:

• Az enzimatikus kinetika kvantitatív modellezése - ez az irány 1900 és 1970 között alakult ki ,
• A népességnövekedés matematikai modellezése,
• Modellezés a neurofiziológiában ,
• Dinamikus rendszerelmélet és kibernetika .
• Szinergetika

A rendszerbiológia úttörőjének Ludwig von Bertalanffyt , az általános rendszerelmélet megalkotóját , az 1950 -ben megjelent "General Systems Theory in Physics and Biology" című könyv szerzőjét tekinthetjük . A biológia egyik első numerikus modellje a brit neurofiziológusok, valamint a Nobel-díjas Hodgkin és Huxley által 1952 -ben publikált modell . A szerzők olyan matematikai modellt készítettek, amely megmagyarázza az akciós potenciál terjedését az idegsejt axonja mentén [7] . Modelljük a potenciális terjedési mechanizmust két különböző molekulakomponens – a kálium- és nátriumcsatornák – közötti kölcsönhatásként írta le, ami a számítási rendszerbiológia kezdetének tekinthető [8] . 1960- ban Hodgkin és Huxley modellje alapján Denis Noble megalkotta a szívritmus-szabályozó első számítógépes modelljét [ 9] .

Formálisan a rendszerbiológiáról mint önálló tudományágról szóló első munkát Mikhailo Mesarovic rendszerelméleti szakember mutatta be 1966 -ban a clevelandi Institute of Technology (USA, Ohio) nemzetközi szimpóziumon „Rendszerelmélet és biológia” címmel. [10] [11]

A huszadik század 60-as és 70 -es éveiben számos megközelítést fejlesztettek ki az összetett molekuláris rendszerek tanulmányozására, mint például a metabolikus szabályozás elmélete és a biokémiai rendszerek elmélete . A molekuláris biológia sikerei a 80 -as években, az elméleti biológia iránti általános érdeklődés némi hanyatlásával , ami többet ígért, mint amit el tudott érni, a biológiai rendszerek modellezése iránti érdeklődés csökkenéséhez vezetett.

A funkcionális genomika megszületése azonban az 1990 - es években nagy mennyiségű, kiváló minőségű adathoz vezetett, ami a számítástechnika fellendülésével együtt valósághűbb modellek létrehozását tette lehetővé. 1997 -ben Masaru Tomita csoportja publikálta a teljes (hipotetikus) sejtmetabolizmus első numerikus modelljét. A "rendszerbiológia" kifejezés W. Sieglgansberg és T. Tolle 1993 -as cikkében is megtalálható . Az 1990-es években B. Zeng számos koncepciót, modellt és kifejezést alkotott meg: rendszergyógyászat ( 1992. április ), rendszerbiomérnöki ( 1994. június ) és rendszergenetika (1994. november).

A 2000 -es években , amikor Seattle-ben és Tokióban megalakult a Systems Biology Institutes, a Systems Biology önállóvá vált, részt vett különböző genomikai projektekben, feldolgozta és értelmezte a "-omics" (proteomika, metabolomika) adatait, és segített értelmezni más magas szintű -áteresztőképességi kísérletek, beleértve a bioinformatikát is . 2006 nyarától a rendszerbiológusok hiánya miatt [12] világszerte számos képzési központ jött létre.

A rendszerbiológia fejlődésének fontos mérföldköve volt a Physiom nemzetközi projekt .

Kísérleti módszerek a rendszerbiológiában

A létrehozandó modellek ellenőrzésére a rendszerbiológia különféle típusú kísérleti adatokkal dolgozik, amelyek mind az egyes összetevőket, mind a rendszer egészét leírják. Gyakran a hipotézisek és következtetések megfogalmazásához kezdeti információként a biológia más területein szerzett adatokat használnak: biokémia , biofizika , molekuláris biológia . A rendszerbiológiához azonban számos specifikus módszer kapcsolódik. Ezek a módszerek nagyszámú kísérleti mérést, valamint számos jellemző egyidejű kimutatását jellemzik, ami az automatizált streaming kísérleti technikák megjelenésével vált lehetővé.

Példák az ilyen módszerekre:

• Genomika : nagy áteresztőképességű DNS-szekvenálási technikák , beleértve ugyanazon organizmus különböző sejtjeinek variabilitásának vizsgálatát.
• Epigenomika / epigenetika : a DNS-ben nem kódolt transzkripciós faktorok vizsgálata ( DNS-metiláció stb.).
• Transzkriptomika : a génexpresszió mérése DNS microarray-ek és egyéb módszerek segítségével.
• Interferomika : az átírt RNS-ek kölcsönhatásának mérése.
• Proteomika / Translatomika : Fehérjék vagy peptidek szintjének mérése 2D gélelektroforézissel , tömegspektrometriával vagy többdimenziós fehérjemérési technikákkal.
• Metabolomika : úgynevezett kis molekulák, metabolitok koncentrációjának mérése .
• Glikomika : szénhidrátszint mérése .
• Lipidomika : lipidszint mérése .

A molekulák szintjének mérésére szolgáló bemutatott módszerek mellett vannak bonyolultabb módszerek is, amelyek lehetővé teszik a jellemzők időbeli dinamikájának és az összetevők közötti kölcsönhatás mérését:

• Interaktomika : molekulák közötti kölcsönhatások mérése (pl. fehérje-fehérje kölcsönhatások mérése: PPI).
• Fluxomika : a fluxusok és koncentrációk időbeli dinamikájának mérése (általában a metabolitok).
• Biomika : a biom rendszerelemzése

A felsorolt ​​módszerek közül sokat jelenleg is aktívan fejlesztenek mind a mérések pontosságának és információtartalmának növelése, mind a kapott adatok numerikus feldolgozásának módszerei terén.

Rendszerbiológiai eszközök

A rendszerbiológiai kutatások leggyakrabban egy komplex biológiai rendszer mechanisztikus modelljének kidolgozásából állnak , vagyis a rendszert alkotó elemi folyamatok kvantitatív adatai alapján [13] [14]. .

A metabolikus vagy jelátviteli útvonal matematikailag leírható az enzimatikus vagy kémiai kinetika elméletei alapján . A kapott rendszerek elemzéséhez a nemlineáris dinamika matematikai módszerei , a véletlenszerű folyamatok elmélete vagy a vezérléselmélet használhatók .

A vizsgálat tárgyának összetettsége, a biológiai rendszert leíró nagyszámú paraméter, változó és egyenlet miatt a modern rendszerbiológia elképzelhetetlen számítógépes technológia alkalmazása nélkül. A számítógépek segítségével nemlineáris egyenletrendszereket oldanak meg, tanulmányozzák a rendszer stabilitását és érzékenységét, kísérleti adatokból egyenletek ismeretlen paramétereit határozzák meg. Az új számítógépes technológiák jelentős hatással vannak a rendszerbiológia fejlődésére. Különösen a folyamatszámítás , az automatikus információ-visszakereső eszközök használata a kiadványokban, a számítógépes nyelvészet , a nyilvános adatbázisok fejlesztése és feltöltése .

A rendszerbiológia keretein belül folyamatban van a saját modellezési szoftvereszközeink és univerzális nyelvek létrehozása a modellek tárolására és annotálására. Ilyen például az SBML , a CellML ( XML kiterjesztések a modellek írásához), valamint az SBGN (a nyelv a biológiai rendszerek elemei közötti interakciók szerkezetének grafikus ábrázolására).

Lásd még

• Bioinformatika
• Biotechnológia
• Biomérnökség
• Biostatisztika
• Biofizika
• Biokémia
• Számítógépes biológia
• matematikai biológia
• Modellezés
• szintetikus biológia
• Funkcionális rendszerek elmélete
• fiziom

Jegyzetek

1. ↑ [https://web.archive.org/web/20160601054428/https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/8219729 Archivált 2016. június 1-én a Wayback Machine -nál A fájdalomjelzés farmakológiája. [Curr Opin Neurobiol. 1993] - PubMed eredmény]
2. ↑ 1 2 Peter Kohl, Denis Noble , Raimond L. Winslow és Peter J. Hunter. Biológiai rendszerek számítógépes modellezése: eszközök és víziók   // Phil . Trans. R. Soc. London. Log. - 2000. - Vol. 358. sz . 1766 . - P. 579-610 . — ISSN 1364-503X . doi : 10.1098 / rsta.2000.0547 .
3. ↑ Hiroaki Kitano. Rendszerbiológia: Rövid áttekintés   // Tudomány . - 2002. - március 1. ( 295. kötet ). - P. 1662-1664 . - doi : 10.1126/science.1069492 .
4. ↑ Sauer, U. et al. Közelebb kerülni a teljes képhez   // Tudomány . - 2007. - április 27. ( 316. kötet ). — 550. o . - doi : 10.1126/tudomány.1142502 . — PMID 17463274 .
5. ↑ Denis Noble . Az élet zenéje: Biológia a genomon túl  (angol) . - Oxford University Press , 2006. - ISBN 978-0199295739 . p21
6. ↑ Kholodenko BN, Bruggeman FJ, Sauro HM; Alberghina L. és Westerhoff HV (szerk.) (2005.). „Mechanisztikus és moduláris megközelítések a celluláris szabályozó hálózatok modellezésére és következtetésére”. Rendszerbiológia: Definíciók és perspektívák . Springer-Verlag. p. 143. Elavult használt paraméter |coauthors=( help );Ellenőrizze a dátumot itt: |date=( súgó angolul )
7. ↑ Hodgkin AL, Huxley AF A membránáram kvantitatív leírása és alkalmazása az ideg vezetésére és gerjesztésére  // ​​J  Physiol : folyóirat. - 1952. - 1. évf. 117. sz . 4 . - P. 500-544 . — PMID 12991237 .
8. ↑ Le Novere; Le Novere, N.  The long travel to a Systems Biology of neuron function  // BMC Systems Biology : folyóirat. - 2007. - Vol. 1 . — 28. o . - doi : 10.1186/1752-0509-1-28 . — PMID 17567903 .
9. ↑ Noble D. Szívműködési és pacemaker-potenciálok a Hodgkin-Huxley-egyenletek alapján  //  Természet: folyóirat. - 1960. - 1. évf. 188 . - P. 495-497 . - doi : 10.1038/188495b0 . — PMID 13729365 .
10. ↑ Mesarovic, M.D.Rendszerelmélet és biológia  (neopr.) . — Springer-Verlag , 1968.
11. ↑ Eszköz egy új holizmus felé   // Tudomány . — Vol. 161. sz . 3836 . - P. 34-35 . - doi : 10.1126/tudomány.161.3836.34 .
12. ↑ A rendszerek kezelése (downlink) . Letöltve: 2010. február 4. Az eredetiből archiválva : 2012. április 16.. (határozatlan) 
13. ↑ Gardner, TS; di Bernardo D., Lorenz D. és Collins JJ. Genetikai hálózatok következtetése és hatásvegyületek azonosítása expressziós profilozással  //  Science : Journal. - 2003. - július 4. ( 301. kötet ). - P. 102-1005 . - doi : 10.1126/tudomány.1081900 . — PMID 12843395 .
14. ↑ di Bernardo, D; Thompson MJ, Gardner TS, Chobot SE, Eastwood EL, Wojtovich AP, Elliot SJ, Schaus SE és Collins JJ Kemogenomikus profilalkotás genomszintű skálán reverse-engineered génhálózatok segítségével  // Nature Biotechnology  : Journal  . - Nature Publishing Group , 2005. - március ( 23. köt. ). - P. 377-383 . - doi : 10.1038/nbt1075 . — PMID 15765094 .

Szótárak és enciklopédiák	nagy kínai Britannica (online)
Bibliográfiai katalógusokban	BNF : 15597104x GND : 4809615-5 J9U : 987007549781405171 LCCN : sh2008002926 NDL : 00870420