Biologi sistem. Biologi sistem sains Biologi sistem

Biologi sistem ialah bidang saintifik antara disiplin yang dibentuk di persimpangan biologi dan teori sistem kompleks, yang memberi tumpuan kepada kajian interaksi kompleks dalam sistem hidup. Istilah ini pertama kali digunakan dalam artikel 1993 oleh W. Zieglgänsberger dan TR. Tölle. Istilah "biologi sistem" menjadi meluas selepas tahun 2000.
Membentuk pendekatan baharu kepada tafsiran keputusan dalam biologi abad ke-21 dan bukannya reduksionisme tradisional untuk biologi abad yang lalu, dan pendekatan baharu sebegitu kini dinamakan dengan istilah holisme dan integrasi dalam bahasa Inggeris. integrasi). Perhatian utama dalam biologi sistem diberikan kepada apa yang dipanggil sifat-sifat muncul, iaitu, sifat-sifat sistem biologi yang tidak dapat dijelaskan hanya dari segi sifat komponennya.
Memahami (wawasan Bahasa Inggeris) biologi pada peringkat sistem membolehkan anda memahami dengan lebih tepat struktur, dinamik dan fungsi kedua-dua sel individu dan organisma secara keseluruhan berbanding apabila mempertimbangkan bahagian individu sel atau organisma.
Biologi sistem berkait rapat dengan biologi matematik.

Konsep berkaitan

Fizik teori ialah satu cabang fizik di mana cara utama memahami alam semula jadi adalah untuk mencipta model teori (terutamanya matematik) fenomena dan membandingkannya dengan realiti. Dalam rumusan ini, fizik teori adalah kaedah bebas untuk mengkaji alam, walaupun kandungannya, secara semula jadi, terbentuk dengan mengambil kira hasil eksperimen dan pemerhatian alam.

NeuroNet (Bahasa Inggeris: NeuroNet, NeuroWeb, Brainet) atau Web 4.0 adalah salah satu peringkat yang dicadangkan dalam pembangunan World Wide Web, di mana interaksi peserta (orang, haiwan, ejen pintar) akan dijalankan berdasarkan prinsip komunikasi saraf. Menurut ramalan, ia sepatutnya menggantikan Web 3.0 kira-kira pada 2030-2040. Salah satu pasaran utama yang dipilih untuk pembangunan dalam rangka Inisiatif Teknologi Kebangsaan Rusia.

Sokolik Anatoly Iosifovich,
Profesor Madya jabatan biologi sel dan kejuruteraan bio
tumbuhan
1

PENGENALAN
Konsep "biologi sistem", pelbagai
tafsiran dan kandungan, tempat antara lain
aplikasi untuk matematik biologi,
teknologi maklumat dan komputer
teknologi.
Bioinformatik, genomik komputer,
biologi pengiraan, biologi matematik.
Biologi sistem. cerita.
Pemodelan sistem adalah pendekatan utama kepada sistem
biologi. Analisis sistem kompleks dengan besar
tatasusunan data. Asas biologi sistem -
matematik.
2

Biologi sistem - muncul
bidang antara disiplin biologi yang
menganalisis pelbagai sistem biologi kompleks
tahap berdasarkan sifat multikomponen mereka, kehadiran
sambungan ke hadapan dan ke belakang, heterogeniti
pencirian data eksperimen
sistem.
Subjek penyelidikan - sistem biologi daripada
tahap subsel dan selular – cth.
sistem pengawalan gen, metabolisme, selular
dinamik, interaksi dalam populasi sel – sehingga
tahap populasi organisma dan keseluruhan ekosistem.
Asas metodologi biologi sistem -
matematik
3

J. Murray (James Murray) – ahli matematik:
“Untuk memastikan lebih lanjut
kemakmuran ilmumu,
ahli matematik perlu belajar
biologi. Berfikir bagaimana
ternyata berguna untuk matematik
fizik dan bagaimana ia mempengaruhinya
matematik, menjadi jelas bahawa,
jika ahli matematik tidak "masuk"
sains biologi, mereka hanya akan kekal di luar
penemuan saintifik yang menjanjikan
menjadi yang paling penting dan
paling menarik dalam sejarah
sains"
4

Kegunaan utama matematik dalam
biologi
Perangkaan
Bioinformatik (gabungan biologi, matematik dan
sains komputer untuk menyelesaikan masalah biologi molekul,
biokimia, genetik, biologi sel, farmakologi,
penjagaan kesihatan, dsb. sinonim untuk pengkomputeran
biologi molekul).
Termasuk:
· Jujukan bioinformatik.
· Bioinformatik struktur.
· Genomik komputer
· Aplikasi kaedah analisis yang diketahui untuk mendapatkan
pengetahuan biologi baharu.
· Pembangunan kaedah baru untuk menganalisis data biologi
· Pembangunan pangkalan data baharu
5

Jujukan bioinformatik
Mulai 1 September 2015, pangkalan data EMBL (European Molecular Biology Laboratory) mengandungi
13,634,705 dokumen dengan keterangan 14,579,744,964
jujukan nukleotida yang mengandungi secara umum
begitu banyak aksara (nukleotida) yang sepadan
kira-kira perpustakaan 105 jilid tebal dengan kemas
fon
terjemahan menggunakan genetik yang diketahui
kod boleh diperolehi. asid amino (protein)
urutan.
Daripada 5 juta protein yang diketahui hari ini, 95%
urutan adalah terjemahan hipotesis sedemikian,
dan tiada lagi yang diketahui tentang mereka
6

Bioinformatik struktur
Bioinformatik struktur berurusan dengan
analisis struktur ruang molekul.
Hanya kira-kira 100,000 struktur diketahui dari
beberapa juta urutan.
dok molekul (dok molekul) -
kaedah pemodelan yang membolehkan anda meramal
paling berfaedah untuk pembentukan mampan
orientasi kompleks dan kedudukan satu molekul
berhubung dengan yang lain.
7

Program untuk dok molekul
AutoDock (http://autodock.scripps.edu)
FlexX (http://www.biosolveit.de/FlexX/)
Dok (http://dock.compbio.ucsf.edu)
Surflex (http://www.biopharmics.com, www.tripos.com)
Fred (http://www.eyesopen.com/products/applications/fred.html)
Emas (http://www.ccdc.cam.ac.uk/products/life_sciences/gold/)
TUMBUHAN (http://www.tcd.uni-konstanz.de/research/plants.php)
3DPL (http://www.chemnavigator.com/cnc/products/3dpl.asp)
Pencari Utama (http://www.moltech.ru)
Docker Maya Molegro (http://www.molegro.com)
ICM Pro (http://www.molsoft.com/icm_pro.html)
Ligand fit, Libdock dan CDocker (http://accelrys.com/services/training/lifescience/StructureBasedDesignDescription.html)
DockSearch (http://www.ibmc.msk.ru)
eHiTS (http://www.simbiosys.ca/ehits/index.html)
Meluncur (http://www.schrodinger.com/productpage/14/5/)
DockingShop (http://vis.lbl.gov/~scrivelli/Public/silvia_page/DockingShop.html)
HADDOCK (http://www.nmr.chem.uu.nl/haddock/)
8

Bioinformatik Genomik komputer
Hari ini, lengkap atau hampir lengkap
jujukan genom bagi banyak organisma, tetapi ini tidak
penghujung itu sendiri, tetapi langkah pertama untuk meneroka bagaimana
fungsi sel tertentu
Mempelajari genom membolehkan kita mencari laluan metabolik baharu
laluan atau enzim yang akan digunakan dalam
pengeluaran bioteknologi (contohnya, vitamin dan
bahan biologi aktif lain)
Analisis komputer membolehkan, pada tahap tertentu,
mencirikan dengan tepat beberapa ribu gen menggunakan
kumpulan kecil dalam kira-kira seminggu, sedangkan
Penentuan eksperimen bagi fungsi hanya satu
gen memerlukan kerja intensif satu makmal sebagai
sekurang-kurangnya beberapa bulan
9

Bioinformatik
Aplikasi kaedah analisis yang diketahui untuk mendapatkan
pengetahuan biologi baharu
Terdapat banyak kaedah dan alat untuk
analisis komputer data biologi,
dipersembahkan dalam bentuk program di Internet dan mempunyai
antara muka pengguna yang selesa.
Untuk soalan yang salah komputer selalu berikan
jawapan yang salah. Sempadan mesti diambil kira
kebolehgunaan kaedah tertentu.
analisis komputer data biologi ialah
eksperimen (hanya tidak dilakukan dalam tabung uji) dan kepadanya
keperluan yang sama dikenakan - kejelasan pernyataan,
kawalan
10

Bioinformatik
Pembangunan kaedah analisis baru
data biologi
Pembangunan pangkalan data baharu
11

Biologi matematik
Biologi matematik tergolong dalam aplikasi
matematik dan menggunakan kaedahnya.
Biologi matematik mengkaji biologi
tugasan dan masalah menggunakan kaedah matematik moden, dan
hasilnya mempunyai tafsiran biologi
Contoh - Undang-undang Hardy-Weinberg (untuk ideal
populasi),
p2+2pq+q2=1
di mana p dan q ialah frekuensi alel gen

Biologi pengiraan
Sebahagiannya bertindih dengan bioinformatik
Bidang sains analisis komputer genetik
teks, urutan asid amino,
struktur ruang dan dinamik protein,
Analisis ini mendasari penentuan sasaran makromolekul dan pencarian kompleks berat molekul rendah dengan
untuk tujuan mencipta ubat baru,
Biologi pengiraan telah berkembang menjadi
kawasan bioperubatan yang berkembang pesat
13

Biologi pengiraan
Proses mencipta sebatian ubat baru boleh
dibahagikan kepada peringkat berikut:
(1) mencari sasaran (contohnya, protein) tindakan baru
ubat-ubatan;
(2) mencari sebatian berat molekul rendah yang mempunyai
tindakan farmakologi yang diperlukan;
(3) mengkaji sebatian ini secara eksperimen;
(4) menjalankan ujian di klinik.
Sudah peringkat pertama mencari calon yang sesuai untuk
ubat terlalu banyak
beratus juta pilihan daripada
sesuai
pangkalan
data
berat molekul rendah
sambungan
14

Anggaran keperluan pengiraan untuk lengkap
mengira tenaga pengikat semua berat molekul rendah
sambungan yang disertakan dalam pelbagai pangkalan data
Tahap kesukaran
pemodelan
Mekanik molekul
Kaedah
SPECTTOPE
Saiz
pangkalan
140000
Masa
pengiraan
1 jam
Ligan tegar/sasaran
LUDI
30000
1-4 jam
Mekanik molekul
Kepala tukul 80000
Sebahagiannya
boleh ubah bentuk
DOCK
ligan
Sasaran keras
DOCK
Mekanik molekul
Mekanik molekul
Mekanik kuantum
tapak aktif
ICM
3-4 hari
17000
3-4 hari
53000
14 hari
50000
21 hari
AMBER
1
CHARMM
Gaussian, S1
Kimia
beberapa
hari
beberapa
minggu
15

Prestasi Superkomputer
Nama
flop
kiloflops
megaflop
gigaflops
teraflops
petaflops
exaflops
zettaflops
yottaflops
xeraflops
tahun
1941
1949
1964
1987
1997
2008
2019 atau lebih baru
tidak lebih awal daripada 2030
-
flop
100
103
106
109
1012
1015
1018
1021
1024
1027
16

Superkomputer paling berkuasa di dunia hari ini
Tianhe-2 (Bima Sakti 2)
2013. 200-300
berjuta-juta
dolar.
1300 saintis dan
jurutera
diusahakan
penciptaan Tianhe2, "Milky Way2". Rak: 125
Teras: 3120000
Produktiviti
b: 33862.7 TFlop/s
Kuasa: 17808.0
0 kW
Memori: 1024000 GB
17

Biologi sistem - berkembang secara aktif
bidang sains antara disiplin yang menganalisis kompleks
sistem biologi, dengan mengambil kira sifat multikomponen mereka, kehadiran
sambungan ke hadapan dan ke belakang, serta heterogeniti dan besar
jumlah data eksperimen. Subjek kajian
di kawasan ini mungkin terdapat sistem pengawalan gen,
metabolisme, serta dinamik selular dan interaksi dalam
populasi sel
(Ahli biokimia boleh menentukan enzim dan produk kitaran
Krebs, tetapi kirakan dinamik perubahan dalam kepekatannya
hanya ahli biologi sistem boleh.)
Prinsip kritikal untuk biologi sistem
adalah "holisme", yang sepatutnya menggantikan
"reduksionisme".
18

Biologi sistem
Pendekatan reduksionis menganggap bahawa sifat
sistem multikomponen yang kompleks hanya boleh diperolehi
apabila mempertimbangkan individunya
Descartes berhujah bahawa
komponen.
haiwan boleh
Sebagai contoh,
"dijelaskan" secara keseluruhan
operasi mesin individu
fisiologi
- De homine, 1662.
fungsi badan
akan menjadi jelas
hanya dengan terperinci
mengenalinya
sel individu.
19

Pendekatan holistik
menunjukkan bahawa sifat kompleks
sistem berbilang komponen tidak boleh dilakukan
mewakilinya sebagai jumlah sifat individunya
komponen.
Sebagai contoh, fungsi fisiologi badan “tidak
dikesan" apabila mempertimbangkan individunya
sel.
20

Biologi sistem
Tugas utama biologi sistem, yang tidak
bersilang dengan bioinformatik - ini adalah pemodelan
sifat sistem biologi dinamik dengan diskret
(mempunyai bingkai) dan masa berterusan (besar
sebahagian daripada bio-sistem).
Secara umum, sistem biologi tidak seimbang (terbuka, mereka
sentiasa bertukar tenaga dan jirim dengan alam sekitar) dan
bukan linear (perubahan dalam keadaan mereka tidak sepenuhnya
ditentukan oleh yang sebelumnya).
Oleh itu, kaedah analisis khas digunakan untuk mereka
dan penerangan (dinamik tak linear).
21

Biologi sistem
Prasyarat untuk kemunculan biologi sistem
ialah:
- Pemodelan enzimatik kuantitatif
kinetik - arah yang terbentuk antara
1900 dan 1970,
- Pemodelan matematik pertumbuhan penduduk,
- Pemodelan dalam neurofisiologi,
- Teori sistem dinamik dan sibernetik.
22

Pembangunan biologi sistem:
Teori organisasi dan sistem
Bogdanova - cukup aneh, seorang saintis Belarusia dan
revolusioner dari Grodno - Alexander Malinovsky
(nama samaran Bogdanov - salah seorang pencipta dan pemimpin
RSDLP, bersama-sama dengan Lenin). Ahli falsafah yang cemerlang
menulis beberapa karya besar mengenai Tektologi,
sains yang diperkenalkan olehnya, mendedahkan satu prinsip
peranti, organisasi dan pengurusan biologi dan
sistem bukan biologi. Dialah yang memperkenalkan konsep
keterbukaan sistem biologi, its
kawal selia kendiri, organisasi kendiri,
"komplikasi diri", kemungkinan
penurunan dalam entropi, kerana yang banyak
sistem sedemikian mempunyai sifat holistik.
Malinovsky/Bogdanov - pengasas yayasan yang diiktiraf
biologi sistem, bioinformatik dan sibernetik.
23

Carl Ludwig von Bertalanffy
pempopular utama teori sistem
di Amerika Syarikat. Terutamanya dipinjam dan
mengembangkan idea dalam matematik sistem.
Dikenali secara meluas sebagai "bapa" rakyat biasa
teori sistem.
Secara teorinya menyokong termodinamik itu
undang-undang klasik (pengekalan tenaga dan jisim dan
peningkatan entropi) “tidak berfungsi” apabila
pertimbangan sistem biologi
24

Sistem terbuka menurut Bertalanffy - boleh menerima lebih banyak tenaga daripada
memberi. Mereka memperbaiki diri, mengikut prinsip yang wujud dalam diri mereka
organisasi, kawal selia kendiri dan pemerintahan sendiri. Dalam kes biologi - pada
asas kod genetik dan pelaksanaannya (fenomena) dalam had
diberikan oleh syarat-syarat kewujudan ini.
25

Peringkat pembangunan biologi sistem:
Model pertumbuhan biologi Bertalanffy
Persamaan pembezaan termudah (persamaan untuk diterangkan
proses dinamik - parameter yang diketahui digantikan dan mereka
nisbah, i.e. pekali, yang membolehkan anda mencari yang tidak diketahui
parameter yang menarik minat kami, dan juga membina graf berdasarkannya
tetapkan parameter yang tidak diketahui).
Persamaan untuk perubahan panjang (mana-mana saiz) dari semasa ke semasa:
L - panjang, t - masa
rB – kadar pertumbuhan mengikut Bertfalanffy Loo – panjang maksimum organisma.
Pekali tambahan (tidak disenaraikan di atas) – ketersediaan makanan,
tahap metabolik, fasa ontogenesis, dll. Mereka membantu dengan lebih tepat
kira perubahan ketinggian dari semasa ke semasa. Model itu masih digunakan sehingga kini.
26

Salah satu model pertama di mana masalah fisiologi diselesaikan ialah
model penyebaran impuls saraf (potensi tindakan),
dicipta oleh A. Hodgkin dan E. Huxley untuk akson sotong (1952)
Pada tahun 1960, Denis Noble mencipta model pertama sel perentak jantung di jantung -
model matematik irama jantung.
Pengiktirafan rasmi Biologi Sistem moden sebagai berasingan
sains merujuk kepada simposium antarabangsa yang diadakan di Cleveland
pada tahun 1966, di bawah tajuk "Teori Sistem dan Biologi" - Teori Sistem
dan biologi.
Pada tahun 1960-70an, model metabolik pertama dibangunkan - model
rangkaian enzim dan aktivitinya. Teori Metabolik
kawalan, maklum balas negatif dan positif untuk peraturan,
Model pengiraan pertama yang tersedia untuk struktur protein muncul.
27

1980-an: Semasa perkembangan pesat biologi molekul,
pemodelan telah dilupakan, terutamanya kerana ahli biologi telah mengembangkan keraguan tentang
kemahakuasaan matematik dan fizik Komputer berkuasa rendah dan tidak
memungkinkan untuk membuat pengiraan yang diperlukan untuk ahli biologi.
Sejak awal 90-an, apa yang dipanggil era genomik, apabila
susunan besar pertama nukleotida dan asid amino
urutan, keperluan untuk analisis mereka telah membawa kepada pesat baru
pusingan pembangunan biologi sistem.
Kejayaan dalam kepantasan dan kebolehcapaian teknologi komputer (1990-2000) mengakibatkan tarikan peningkatan bilangan pengaturcara,
ahli matematik dan ahli fizik teori ke dalam biologi.
Selepas tahun 2000, -omics muncul - keluarga sains yang mencipta
keperluan untuk memproses sejumlah besar data biologi.
28

- Fenomik: variasi dalam fenotip dan perubahannya sepanjang hayat
kitaran.
- Genomik: urutan DNA organisma atau sel. Anotasi,
pemetaan dan analisis gen, ekson (pengekodan) dan intron (bukan pengekodan),
kawasan lain.
- Epigenomik / Epigenetik: peraturan transkriptomik,
bukan berkod genomik, seperti metilasi DNA atau
asetilasi histon.
- Transkriptomi: mengukur perubahan dalam ekspresi gen individu
menggunakan "DNA microarrays" (cip DNA).
- Interferomik: pengetahuan tentang mekanisme dan kepelbagaian sistem
"pembetulan" transkrip, contohnya, gangguan RNA.
29

Disiplin yang berkaitan (dan objeknya), yang mana,
terutamanya data diambil dan dianalisis
dalam bioinformatik dan biologi sistem:
- Proteomik (translatomics - nama yang lebih jarang): ukuran
protein dan peptida menggunakan elektroforesis gel dua dimensi dalam
gabungan dengan spektrometri jisim, HPLC dan pengesan lain.
Terbahagi kepada fosfoproteomik, glikoproteomik, membran dan
protemix endomembrane dan jenis lain.
- Metabolomik: nisbah mengukur, kepelbagaian dan
pengedaran, serta hubungan dengan fungsi badan molekul kecil
(kononnya metabolit), tidak berkaitan dengan biopolimer.
- Glikomik: nisbah mengukur, kepelbagaian dan pengedaran, dan
juga hubungan dengan fungsi badan karbohidrat.
30

Disiplin yang berkaitan (dan objeknya), yang mana,
terutamanya data diambil dan dianalisis
dalam bioinformatik dan biologi sistem:
- Lipidomics: mengukur nisbah, kepelbagaian dan pengedaran,
serta sambungan kepada fungsi lipid badan.
- Interaktomik: mengukur dan menganalisis interaksi antara
molekul, tindak balas kimia. Contohnya, protein-protein
interaksi.
- Neuroelektrodinamik: analisis organisasi dan fungsi neuron sebagai
sistem dinamik yang mampu memproses maklumat apabila
menggunakan isyarat elektrik.
- Ionomik dan flaksomik: bidang yang mengkaji aktiviti dan
pengedaran ion dan fluksnya, masing-masing.
- Biomik: analisis sistem bioma (manifestasi kehidupan - fenomena
hanya wujud pada sistem hidup).
31

Alat biologi sistem
Penyelidikan dalam bidang biologi sistem paling kerap
adalah untuk membangunkan model biologi kompleks
sistem, iaitu model yang dibina berdasarkan asas
data kuantitatif mengenai proses asas,
komponen sistem.
Untuk menganalisis sistem yang terhasil boleh digunakan
kaedah matematik dinamik tak linear, teori
proses rawak, atau menggunakan teori
pengurusan.
Oleh kerana kerumitan objek kajian, bilangan yang besar
parameter, pembolehubah dan persamaan yang menerangkan
sistem biologi, biologi sistem moden
tidak dapat difikirkan tanpa menggunakan teknologi komputer
32

Yayasan Sains Kebangsaan (NSF) ialah sejenis asas
Penyelidikan Asas AS
Antara tugas biologi abad ke-21, beliau menetapkan
cabaran serius untuk biologi sistem -
membina model fungsi keseluruhan
sel. Masalah ini telah pun selesai sedikit sebanyak.
33

Karr J.R., Sanghvi J.C.,
Macklin D.N., Gutschow
M.V., Jacobs J.M., Bolival
B., Assad-Garcia N.,
Glass J.I., Covert M.W.
(2012).
Sel Keseluruhan
Model Pengiraan
Meramalkan Fenotip
daripada Genotip.
Sel 150, 389–401;
Model sel Mycoplasma genitalium secara keseluruhan, yang terdiri daripada 28
submodel pelbagai proses selular. Submodel dikumpulkan
mengikut kategori: DNA, RNA, protein dan metabolisme. Submodel berkaitan antara satu sama lain
satu sama lain melalui metabolit biasa, RNA, protein dan DNA kromosom, yang
ditunjukkan oleh anak panah warna yang sepadan.

Dalam biologi, yang membawa kepada kemunculan baru, kaedah kerjasama kerja pada masalah dalam bidang biologi genetik. Salah satu tugas biologi sistem adalah untuk memodelkan dan menemui sifat-sifat kemunculan, sifat sel, tisu dan organisma yang berfungsi sebagai sistem hanya boleh dilakukan menggunakan kaedah biologi sistem. Mereka biasanya melibatkan rangkaian metabolik atau sel rangkaian isyarat.

semakan

Biologi sistem boleh dilihat dari beberapa aspek yang berbeza.

Bidang kajian secara khusus mengkaji interaksi antara komponen sistem biologi, dan bagaimana interaksi ini membawa kepada fungsi dan tingkah laku sistem tersebut (contohnya, enzim dan metabolit dalam laluan metabolik atau degupan jantung).

Salah seorang ahli teori yang boleh dilihat sebagai salah seorang pendahulu biologi sistem ialah Bertalan dengan teori sistem amnya. Salah satu eksperimen berangka pertama dalam biologi sel telah diterbitkan pada tahun 1952 oleh ahli neurofisiologi British dan pemenang Nobel Alan Lloyd Hodgkin dan Andrew Fielding Huxley, yang membina model matematik untuk menerangkan potensi tindakan yang merambat di sepanjang akson sel neuron. Model mereka, menggambarkan fungsi selular yang timbul daripada interaksi antara dua komponen molekul berbeza, saluran kalium dan saluran natrium, dan oleh itu boleh dilihat sebagai permulaan biologi sistem pengiraan. Juga pada tahun 1952, Alan Turing menerbitkan The Chemical Basis of Morphogenesis, menerangkan bagaimana ketidaksamaan boleh timbul dalam sistem biologi yang pada mulanya homogen.

Kajian formal sistem biologi, sebagai satu disiplin yang berbeza, telah dilancarkan oleh ahli teori sistem Mihailo Mesarovic pada tahun 1966 di simposium antarabangsa di Cleveland, Ohio, bertajuk "Teori Sistem dan Biologi".

Tahun 1960-an dan 1970-an menyaksikan perkembangan beberapa pendekatan kepada kajian sistem molekul kompleks, seperti analisis kawalan metabolik dan teori sistem biokimia. Kemajuan dalam biologi molekul pada tahun 1980-an, ditambah pula dengan keraguan terhadap biologi teori yang kemudiannya menjanjikan lebih daripada yang dicapai, menyebabkan pemodelan kuantitatif proses biologi menjadi bidang yang agak kecil.

Disiplin berkaitan

Mengikut tafsiran biologi sistem, sebagai keupayaan untuk mendapatkan, menyepadukan dan menganalisis set data yang kompleks daripada pelbagai sumber eksperimen, menggunakan alat antara disiplin, beberapa fenomik platform teknologi tipikal, perubahan fenotip organisma apabila ia berubah sepanjang hayatnya; Genomik, asid deoksiribonukleik organisma (DNA), termasuk variasi khusus sel intra-organisasi. (iaitu, perubahan panjang telomer); Epigenomik / epigenetik, organisma dan faktor transkriptik khusus sel yang sepadan yang mengawal selia secara empirik tidak dikodkan dalam jujukan genomik. (iaitu, metilasi DNA, asetilasi histon dan deasetilasi, dsb.); ukuran ekspresi gen transkriptomi, organisma, tisu atau keseluruhan sel menggunakan mikroarray DNA atau analisis ekspresi gen berjujukan; interferomik, organisma, tisu atau tahap sel faktor pembetulan tahap transkrip (iaitu gangguan RNA), proteomik, organisma, tisu atau pengukuran tahap sel bagi protein dan peptida menggunakan elektroforesis gel dua dimensi, spektrometri jisim atau kaedah pengenalan protein pelbagai dimensi ( sistem HPLC lanjutan digabungkan dengan spektrometri jisim). Subdisiplin termasuk phosphoproteomics, glycoproteomics, dan kaedah lain untuk mengesan protein yang diubah suai secara kimia; tahap metabolomik, organisma, tisu atau sel, mengukur molekul kecil yang dikenali sebagai metabolit; glikomik, organisma, tisu atau tahap sel, mengukur karbohidrat; pengukuran lipidomik, organisma, tisu atau sel lipid.

Selain mengenal pasti dan mengukur molekul di atas, kaedah selanjutnya menganalisis dinamik dan interaksi dalam sel. Ini termasuk: kajian interkomik, tak organik, tisu atau sel tentang interaksi antara molekul. Disiplin molekul yang berwibawa pada masa ini dalam bidang kajian ini ialah interaksi protein-protein (PPI), walaupun definisi kerja tidak menghalang kemasukan disiplin molekul lain seperti yang ditakrifkan di sini; neuroelektrodinamik, organisma, fungsi pengiraan otak sebagai sistem dinamik yang mendasari mekanisme biofizikal dan pengiraan yang timbul melalui interaksi elektrik; pengukuran fluksomik, organisma, tisu atau sel tahap perubahan dinamik molekul dari semasa ke semasa; biomik, analisis sistem biom; Biokinematik molekul, kajian "biologi dalam gerakan" memfokuskan pada cara transit sel antara keadaan pegun.

Pelbagai teknologi digunakan untuk menangkap perubahan dinamik dalam mRNA, protein dan pengubahsuaian selepas terjemahan. Mekanobiologi, daya dan sifat fizikal di semua peringkat, interaksinya dengan mekanisme pengawalseliaan lain; biosemiotik, analisis sistem hubungan tanda organisma atau biosistem lain; Physiomics, kajian sistematik Physiome dalam biologi.

Bioinformatik dan analisis data

Kaedah pengiraan terkini yang digunakan untuk menganalisis pelbagai jenis pemprosesan tinggi serta data percubaan mendalam berskala kecil dalam biologi sistem. (Tavassoly, Iman, Joseph Goldfarb dan Ravi Iyengar "Primer biologi sistem: kaedah dan pendekatan asas.". Esei mengenai Biokimia 62,4 (2018): 487-500)

Aspek lain sains komputer, informatika dan statistik juga digunakan dalam biologi sistem. Ini termasuk bentuk model pengiraan baharu, seperti penggunaan kalkulus proses untuk memodelkan proses biologi (pendekatan ketara termasuk kalkulus I stokastik, BioAmbients, Beta Binder, BioPEPA dan kalkulus Brane) dan pemodelan kekangan-O; penyepaduan maklumat daripada literatur, menggunakan teknik pengekstrakan maklumat dan perlombongan teks; pembangunan pangkalan data dalam talian dan repositori untuk berkongsi data dan model, pendekatan kepada penyepaduan pangkalan data dan kebolehoperasian perisian menggunakan perisian yang digandingkan secara longgar, tapak web dan pangkalan data, atau sut komersial.; pembangunan cara bunyi sintaksis dan semantik untuk mewakili model biologi; pendekatan rangkaian berdasarkan analisis set data genomik berdimensi tinggi. Sebagai contoh, analisis korelasi rangkaian berwajaran sering digunakan untuk mengenal pasti kluster (dipanggil modul), memodelkan hubungan antara kluster, mengira ukuran kabur keahlian kluster (modul), mengenal pasti nod intra-modul dan mengkaji kegigihan kluster dalam set data lain. ; kaedah analisis data omics berasaskan laluan, contohnya, pendekatan untuk mengenal pasti dan menilai laluan dengan aktiviti pembezaan gen ahli, protein atau metabolitnya.

Biologi sistem

Biologi sistem- disiplin saintifik yang terbentuk di persimpangan biologi dan teori sistem kompleks. Istilah ini pertama kali digunakan dalam artikel 1993 oleh W. Zieglgänsberger dan TR. Tölle.

Merupakan sains hayat antara disiplin. Bertujuan untuk mengkaji interaksi kompleks dalam sistem hidup. Mengambil pendekatan baharu kepada biologi: holisme dan bukannya reduksionisme. Tumpuan utama biologi sistem adalah pada apa yang dipanggil sifat muncul, iaitu sifat sistem biologi yang tidak dapat dijelaskan hanya dari segi sifat komponennya. Oleh itu, tugas biologi sistem ialah kajian dan pemodelan sifat sistem biologi kompleks yang tidak dapat dijelaskan oleh jumlah sifat komponennya.

Istilah "biologi sistem" menjadi meluas selepas tahun 2000.

Biologi sistem mempunyai kaitan dengan biologi matematik.

Nilai

Biologi sistem boleh difahami sebagai:

Bidang penyelidikan, khusus untuk kajian interaksi antara juzuk sistem biologi, dan bagaimana interaksi ini membawa kepada fungsi dan ciri sistem (contohnya, interaksi metabolit dan enzim dalam sistem metabolik).

Aplikasi teori sistem dinamik kepada sistem biologi.
Fenomena sosio-saintifik, ditakrifkan sebagai usaha untuk menyepadukan data kompleks mengenai interaksi dalam sistem biologi yang diperoleh daripada pelbagai sumber eksperimen menggunakan kaedah antara disiplin.

Perbezaan dalam pemahaman biologi sistem dijelaskan oleh fakta bahawa konsep ini merujuk kepada koleksi konsep bersilang dan bukannya kepada satu arah yang ditetapkan dengan ketat. Walaupun terdapat perbezaan dalam memahami matlamat dan kaedah biologi sistem, istilah ini digunakan secara meluas oleh penyelidik, termasuk sebagai sebahagian daripada nama jabatan saintifik dan seluruh institut di seluruh dunia.

cerita

Prasyarat untuk kemunculan biologi sistem adalah:

Pemodelan kuantitatif kinetik enzim adalah bidang yang muncul antara 1900 dan 1970.
Pemodelan matematik pertumbuhan penduduk,
Pemodelan dalam neurofisiologi,

Perintis biologi sistem boleh dianggap Ludwig von Bertalanffy, pencipta teori umum sistem, pengarang buku "Teori Umum Sistem dalam Fizik dan Biologi," yang diterbitkan pada tahun 1950. Salah satu model berangka pertama dalam biologi ialah ahli neurofisiologi British dan pemenang Hadiah Nobel Hodgkin dan Huxley, yang diterbitkan pada tahun 1952. Penulis mencipta model matematik untuk menerangkan penyebaran potensi tindakan di sepanjang akson neuron. Model mereka menggambarkan mekanisme penyebaran berpotensi sebagai interaksi antara dua komponen molekul berbeza: saluran kalium dan natrium, yang boleh dianggap sebagai permulaan biologi sistem pengiraan. Pada tahun 1960, berdasarkan model Hodgkin dan Huxley, Denis Noble mencipta model komputer pertama perentak jantung.

Secara rasmi, kerja pertama tentang biologi sistem sebagai disiplin bebas telah dibentangkan oleh ahli teori sistem Mihailo Mesarovic pada tahun 1966 di simposium antarabangsa di Institut Teknologi Cleveland (AS, Ohio) bertajuk "Teori Sistem dan Biologi."

Pada tahun 1960-an dan 1970-an, beberapa pendekatan telah dibangunkan untuk mengkaji sistem molekul yang kompleks, seperti teori kawalan metabolik dan teori sistem biokimia. Kejayaan biologi molekul pada tahun 80-an, ditambah dengan sedikit penurunan minat dalam biologi teori secara umum, yang menjanjikan lebih daripada yang boleh dicapai, membawa kepada penurunan minat dalam pemodelan sistem biologi.

Walau bagaimanapun, kelahiran genomik berfungsi pada tahun 1990-an membawa kepada ketersediaan sejumlah besar data berkualiti tinggi, yang, bersama-sama dengan ledakan dalam teknologi pengkomputeran, membolehkan penciptaan model yang lebih realistik. Pada tahun 1997, kumpulan Masaru Tomita menerbitkan model berangka pertama bagi metabolisme keseluruhan sel (hipotesis). Istilah "biologi sistem" juga boleh didapati dalam artikel oleh W. Ziglgansberg dan T. Tolle yang diterbitkan pada tahun 1993. Pada tahun 1990-an, B. Zeng mencipta beberapa konsep, model dan istilah: perubatan sistem (April 1992), kejuruteraan bio sistem (Jun 1994) dan genetik sistem (November 1994).

Pada tahun 2000-an, dengan penubuhan institut biologi sistem di Seattle dan Tokyo, biologi sistem muncul dengan sendirinya, terlibat dalam pelbagai projek genomik, memproses dan mentafsir data daripada "-omics" (proteomics, metabolomics), membantu mentafsir orang lain yang tinggi. -eksperimen throughput, termasuk bioinformatik. Sehingga musim panas 2006, disebabkan oleh kekurangan ahli biologi sistem, beberapa pusat latihan telah ditubuhkan di seluruh dunia.

Kaedah eksperimen dalam biologi sistem

Untuk mengesahkan model yang dibuat, biologi sistem berfungsi dengan pelbagai jenis data eksperimen yang menerangkan kedua-dua komponen individu dan sistem secara keseluruhan. Selalunya, data yang diperoleh dalam bidang biologi lain: biokimia, biofizik, biologi molekul digunakan sebagai maklumat awal untuk merumuskan hipotesis dan kesimpulan. Walau bagaimanapun, terdapat beberapa kaedah khusus yang sangat dikaitkan dengan biologi sistem. Kaedah ini dicirikan oleh sejumlah besar pengukuran eksperimen, serta pengesanan serentak banyak ciri, yang menjadi mungkin dengan kemunculan teknik eksperimen aliran automatik.

Contoh kaedah sedemikian mungkin:

Genomik: Teknik penjujukan DNA throughput tinggi, termasuk kajian kebolehubahan dalam sel berbeza bagi satu organisma.
Epigenomik/Epigenetik: kajian faktor transkripsi yang tidak dikodkan dalam DNA (metilasi DNA, dsb.).
Transkripmik: mengukur ekspresi gen menggunakan microarrays DNA dan teknik lain.
Interferomik: mengukur interaksi RNA yang ditranskripsi.
Proteomik/Translatomics: Pengukuran tahap protein atau peptida menggunakan elektroforesis gel dua dimensi, spektrometri jisim atau teknik pengukuran protein multidimensi.
Metabolomik: mengukur kepekatan molekul kecil yang dipanggil, metabolit.
Glikomik: Mengukur Tahap Karbohidrat.
Lipidomics: mengukur tahap lipid.

Sebagai tambahan kepada kaedah yang dibentangkan untuk mengukur tahap molekul, terdapat juga kaedah yang lebih kompleks yang membolehkan anda mengukur dinamik ciri dari masa ke masa dan interaksi antara komponen:

Interaktomik: pengukuran interaksi antara molekul (cth pengukuran interaksi protein-protein: PPI).
Flaxomics: pengukuran dinamik fluks dan kepekatan dari semasa ke semasa (biasanya metabolit).
Biomik: analisis sistem biom

Banyak teknik yang disenaraikan pada masa ini masih giat dibangunkan ke arah meningkatkan ketepatan dan kandungan maklumat pengukuran, dan dalam kaedah pemprosesan berangka data yang diperolehi.

Alat biologi sistem

Penyelidikan dalam bidang biologi sistem selalunya terdiri daripada pembangunan model mekanistik sistem biologi yang kompleks, iaitu, model yang dibina berdasarkan data kuantitatif mengenai proses asas yang membentuk sistem.

Laluan metabolik atau isyarat boleh dihuraikan secara matematik berdasarkan teori kinetik enzimatik atau kimia. Untuk menganalisis sistem yang terhasil, kaedah matematik dinamik tak linear, teori proses rawak, atau teori kawalan boleh digunakan.

Oleh kerana kerumitan objek kajian, bilangan besar parameter, pembolehubah dan persamaan yang menerangkan sistem biologi, biologi sistem moden tidak dapat difikirkan tanpa menggunakan teknologi komputer. Komputer digunakan untuk menyelesaikan sistem persamaan tak linear, mengkaji kestabilan dan sensitiviti sistem, dan menentukan parameter persamaan yang tidak diketahui daripada data eksperimen. Teknologi komputer baharu mempunyai impak yang besar terhadap pembangunan biologi sistem. Khususnya, penggunaan kalkulus proses, cara automatik mencari maklumat dalam penerbitan, linguistik pengiraan, pembangunan dan pengisian pangkalan data yang tersedia untuk umum.

Dalam rangka kerja biologi sistem, kerja sedang dijalankan untuk mencipta alat perisian kami sendiri untuk pemodelan dan bahasa universal untuk menyimpan dan menganotasi model. Contohnya termasuk SBML, CellML (sambungan XML untuk model rakaman), serta SBGN (bahasa untuk menggambarkan struktur interaksi antara unsur sistem biologi secara grafik).

Lihat juga

Kawasan berkaitan

Nota

Farmakologi isyarat sakit.
- Hasil PubMed Sauer, U. et al. (27 April 2007). "Mendekati Gambar Keseluruhan". 316 Sains
. DOI:10.1126/sains.1142502. PMID 17463274. Denis Noble Muzik Kehidupan: Biologi di luar genom. - Oxford University Press, 2006. - ISBN 978-0199295739
p21 Kholodenko B.N., Bruggeman F.J., Sauro H.M.; Alberghina L. dan Westerhoff H. V. (Eds.) (2005). "Pendekatan mekanistik dan modular untuk pemodelan dan inferens rangkaian pengawalseliaan selular". Biologi Sistem: Definisi dan Perspektif
,Springer-Verlag. Hodgkin AL, Huxley AF (1952). "Penerangan kuantitatif arus membran dan penggunaannya pada pengaliran dan pengujaan dalam saraf". 117 J Fisiol
(4): 500–544. PMID 12991237. Le Novere (2007). "Perjalanan panjang ke Biologi Sistem fungsi neuron". 1 Biologi Sistem BMC
. DOI:10.1186/1752-0509-1-28. PMID 17567903. Mulia D (1960). "Tindakan jantung dan potensi perentak jantung berdasarkan persamaan Hodgkin-Huxley." 188 alam semula jadi
: 495–497. DOI:10.1038/188495b0. PMID 13729365. Mesarovic M. D.
Teori Sistem dan Biologi. - Springer-Verlag, 1968. Sauer, U. et al. (27 April 2007). "Mendekati Gambar Keseluruhan". 161 "Satu Cara Menuju Holisme Baru".
(3836): 34–35. DOI:10.1126/sains.161.3836.34.
Mengerjakan Sistem. Diarkibkan daripada yang asal pada 16 April 2012. Sauer, U. et al. (27 April 2007). "Mendekati Gambar Keseluruhan". 301 Gardner, T.S.; di Bernardo D, Lorenz D dan Collins JJ (4 Julai 2003). "Menyimpulkan rangkaian genetik dan mengenal pasti sebatian tindakan melalui pemprofilan ekspresi."
: 102–1005. DOI:10.1126/sains.1081900. PMID 12843395. di Bernardo, D; Thompson MJ, Gardner TS, Chobot SE, Eastwood EL, Wojtovich AP, Elliot SJ, Schaus SE dan Collins JJ (Mac 2005). "Profil kemogenetik pada skala luas genom menggunakan rangkaian gen kejuruteraan terbalik." 23 Bioteknologi Alam Semula Jadi

: 377–383. DOI:10.1038/nbt1075. PMID 15765094.

Yayasan Wikimedia.

2010.

Fosil Archaeopteryx ditemui ... Wikipedia

Artikel ini perlu ditulis semula sepenuhnya. Mungkin terdapat penjelasan pada halaman perbincangan. Biologi Am (eng. Biologi Am ... Wikipedia