Συστημική βιολογία. Συστημική βιολογία σχετικά με τη γήρανση

Τι είναι η βιολογία συστημάτων και ποιες ευκαιρίες ανοίγει στη μελέτη του κυττάρου; Πώς βελτιώνει η βιολογία συστημάτων την κατανόηση των μηχανισμών του καρκίνου και των αρχών της θεραπείας του; Ποιες είναι οι τρέχουσες εξελίξεις στον τομέα των αντικαρκινικών φαρμάκων; Ο Mikhail Gelfand, Διδάκτωρ Βιολογίας, λέει σχετικά.

Νέες τεχνολογίες αλληλούχισης, νέες τεχνολογίες για τον προσδιορισμό της αλληλουχίας νουκλεοτιδίων στα γονιδιώματα μπορούν πραγματικά να χρησιμοποιηθούν όχι μόνο για τη μελέτη των ίδιων των γονιδιωμάτων, αλλά και για τη μελέτη του τρόπου διάταξης του κυττάρου, των ατομικών αλληλεπιδράσεων στα κύτταρα. Και στο τα τελευταία χρόνιαέχουν εμφανιστεί πολλές πειραματικές τεχνικές, οι οποίες βασίζονται στον προσδιορισμό της αλληλουχίας των νουκλεοτιδίων σε θραύσματα γονιδιώματος, αλλά δεν μελετάτε το γονιδίωμα, αλλά όλες τις αλληλεπιδράσεις που συμβαίνουν στο κύτταρο. Αυτή η περιοχή ονομάζεται συνήθως βιολογία συστημάτων - με την έννοια ότι κοιτάτε το κύτταρο ως ένα ολόκληρο σύστημα: όχι ένα μόνο γονίδιο ή πρωτεΐνη, αλλά όλες οι πρωτεΐνες και οι αλληλεπιδράσεις ταυτόχρονα.

Γιατί τα γονιδιώματα είναι ίδια, αλλά οι ιστοί και τα κύτταρα είναι διαφορετικά; Απάντηση: γιατί σε αυτά λειτουργούν διαφορετικά γονίδια. Έχουμε 25.000 γονίδια που κωδικοποιούν πρωτεΐνες, ενώ υπάρχουν και γονίδια RNA. Και δεν υπάρχει τέτοιο πράγμα ότι όλα τα γονίδια σε κάθε κύτταρο λειτουργούν ταυτόχρονα. Και η ατομικότητα των κυττάρων και των ιστών καθορίζεται από το ποια γονίδια λειτουργούν σε αυτά, ποια είναι σιωπηλά. Και μπορείτε απλώς να δείτε ποια γονίδια λειτουργούν, από ποιες πληροφορίες διαβάζονται, πόσο έντονα συμβαίνει αυτή η ανάγνωση. Μπορείτε να δείτε ποιες πρωτεΐνες αλληλεπιδρούν με το DNA, είναι το ίδιο κόλπο με την εξέταση της χωρικής δομής. Παίρνετε πολλά κύτταρα, ράβετε χημικά πρωτεΐνες στο DNA, αυτές οι πρωτεΐνες που αλληλεπιδρούν με το DNA αυτή τη στιγμή αποδεικνύονται ότι είναι ραμμένες σφιχτά, μετά κόβετε το DNA, τραβάτε τις πρωτεΐνες που είναι προσαρτημένες σε αυτό και καθορίζετε αυτές τις αλληλουχίες τεντώνονται μαζί με αυτές τις πρωτεΐνες. Συγκρίνετε με το γονιδίωμα και δείτε ότι η συγκεκριμένη πρωτεΐνη που τραβήξατε σχετίζεται με το γονιδίωμα σε τάδε σετ θέσεων, με τέτοια ένταση.

Από τη μια πλευρά, αρχίσαμε να καταλαβαίνουμε πολλά περισσότερα, για πρώτη φορά μπορούμε να αρχίσουμε να σκεφτόμαστε πώς είναι διατεταγμένο το κύτταρο στο σύνολό του - όχι πώς φαίνεται, όχι αυτό που βλέπουμε στο μικροσκόπιο, αλλά πώς διατάσσονται οι μοριακές αλληλεπιδράσεις σε αυτό, πώς είναι διατεταγμένοι όλοι οι μηχανισμοί, μονοπάτια σηματοδότησης, εργασία γονιδίων, ενεργοποίηση/απενεργοποίηση. Από την άλλη, φάνηκε πόσο δεν καταλαβαίνουμε. Σε απόλυτους όρους, έχουμε γίνει πολύ πιο έξυπνοι, και σε σχετικούς όρους, πολύ πιο χαζοί, επειδή είδαμε ότι κάτι που νομίζαμε ότι καταλάβαμε πολύ καλά, κάτι που έπρεπε μόνο να ολοκληρωθεί λίγο, αποδείχθηκε ότι υπάρχουν πολλά περισσότερα. είναι. Η παρανόησή μας για τη βιολογία έχει αυξηθεί πολύ.

Βιολογία συστημάτων- υπολογιστική και μαθηματική μοντελοποίηση πολύπλοκων βιολογικών συστημάτων. Μια αναδυόμενη τεχνική προσέγγιση που εφαρμόζεται στη βιοϊατρική και τη βιολογική επιστημονική έρευναΗ βιολογία συστημάτων είναι ένα διεπιστημονικό πεδίο μελέτης βασισμένο στη βιολογία που εστιάζει σε σύνθετες αλληλεπιδράσεις εντός βιολογικών συστημάτων χρησιμοποιώντας μια ολιστική προσέγγιση (ολισμός αντί για πιο παραδοσιακό αναγωγισμό) στη βιολογική και βιοϊατρική έρευνα. Ειδικά από το 2000 και μετά, η έννοια έχει χρησιμοποιηθεί ευρέως στις βιολογικές επιστήμες σε ποικίλα πλαίσια. Για παράδειγμα, το Πρόγραμμα Ανθρώπινου Γονιδιώματος είναι ένα παράδειγμα σκέψης εφαρμοσμένων συστημάτων στη βιολογία, το οποίο οδήγησε σε νέους, συνεργατικούς τρόπους εργασίας για προβλήματα στο βιολογικό πεδίο της γενετικής. Ένας από τους υπερβατικούς στόχους της βιολογίας συστημάτων είναι να μοντελοποιήσει και να ανακαλύψει αναδυόμενες ιδιότητες, ιδιότητες κυττάρων, ιστών και οργανισμών που λειτουργούν ως σύστημα, η θεωρητική περιγραφή των οποίων είναι μόνο πιθανές χρήσεις που εμπίπτουν στην αρμοδιότητα της βιολογίας συστημάτων. Συνήθως περιλαμβάνουν μεταβολικά δίκτυα ή δίκτυα σηματοδότησης κυττάρων.

Ανασκόπηση

Η βιολογία των συστημάτων μπορεί να εξεταστεί από πολλές διαφορετικές πτυχές:

• Ως πεδίο μελέτης, ειδικότερα, η μελέτη των αλληλεπιδράσεων μεταξύ των συστατικών των βιολογικών συστημάτων και του τρόπου με τον οποίο αυτές οι αλληλεπιδράσεις προκαλούν τη λειτουργία και τη συμπεριφορά αυτού του συστήματος (π.χ. ένζυμα και μεταβολίτες στη μεταβολική οδό).
• Ως παράδειγμα, που συνήθως ορίζεται σε αντίθεση με το λεγόμενο αναγωγιστικό παράδειγμα (βιολογική οργάνωση), αν και απολύτως συνεπές με επιστημονική μέθοδος. Η διαφορά μεταξύ των δύο παραδειγμάτων αναφέρεται σε αυτά τα αποσπάσματα:

• Ως ένα σύνολο επιχειρησιακών πρωτοκόλλων που χρησιμοποιούνται για τη διεξαγωγή έρευνας, συγκεκριμένα θεωρίες που αποτελούνται από κύκλους, αναλυτική ή υπολογιστική μοντελοποίηση προκειμένου να προταθούν συγκεκριμένες ελεγχόμενες υποθέσεις σχετικά με ένα βιολογικό σύστημα, πειραματική επαλήθευσηκαι στη συνέχεια χρησιμοποιώντας τη νεοαποκτηθείσα ποσοτική περιγραφή των κυττάρων ή των διεργασιών των κυττάρων για να βελτιώσετε το υπολογιστικό μοντέλο ή τη θεωρία. Δεδομένου ότι ο στόχος είναι να μοντελοποιηθούν οι αλληλεπιδράσεις σε ένα σύστημα, οι πειραματικές μέθοδοι που αναζητά τα περισσότερα συστήματα βιολογίας είναι αυτές ολόκληρου του συστήματος και προσπαθούν να είναι όσο το δυνατόν πιο ολοκληρωμένες. Ως εκ τούτου, η μεταγραφομική, η μεταβολομική, η πρωτεομική και οι μέθοδοι υψηλής απόδοσης χρησιμοποιούνται για τη συλλογή ποσοτικών δεδομένων για την κατασκευή και τη δοκιμή μοντέλων.
• Πώς να εφαρμόσετε τη θεωρία δυναμικών συστημάτων σε ΜΟΡΙΑΚΗ ΒΙΟΛΟΓΙΑ. Πράγματι, η εστίαση στη δυναμική των συστημάτων που μελετήθηκαν είναι η κύρια εννοιολογική διαφορά μεταξύ της βιολογίας των συστημάτων και της βιοπληροφορικής.
• Ως κοινωνικοεπιστημονικό φαινόμενο που ορίζεται από τη στρατηγική της επιδίωξης της ενσωμάτωσης πολύπλοκων δεδομένων σχετικά με τις αλληλεπιδράσεις σε βιολογικά συστήματα από μια ποικιλία πειραματικών πηγών χρησιμοποιώντας διεπιστημονικά εργαλεία και προσωπικό.

Αυτή η ποικιλομορφία απόψεων είναι ενδεικτική του γεγονότος ότι η βιολογία των συστημάτων ανήκει σε μια ομάδα εννοιών που επικαλύπτονται ευρέως, παρά σε ένα μόνο καλά καθορισμένο πεδίο. Ωστόσο, ο όρος έχει ευρέως διαδεδομένο νόμισμα και δημοτικότητα από το 2007 με τις έδρες και τα ινστιτούτα της βιολογίας συστημάτων να εξαπλώνονται σε όλο τον κόσμο.

Ιστορία

Η συστημική βιολογία βρίσκει τις ρίζες της σε:

• ποσοτική μοντελοποίηση της ενζυμικής κινητικής, ένας κλάδος που άκμασε μεταξύ 1900 και 1970,
• μαθηματική μοντελοποίηση της δημογραφικής δυναμικής,
• οι προσομοιώσεις έχουν εξελιχθεί για τη μελέτη της νευροφυσιολογίας και
• θεωρία ελέγχου και κυβερνητική.

Ένας θεωρητικός που μπορεί να θεωρηθεί ως ένας από τους προδρόμους της συστημικής βιολογίας είναι ο Ludwig von Bertalanffy με τη γενική του θεωρία συστημάτων. Μία από τις πρώτες αριθμητικές προσομοιώσεις στην κυτταροβιολογία δημοσιεύτηκε το 1952 από τους Βρετανούς νευροφυσιολόγους και βραβευμένους με Νόμπελ Alan Lloyd Hodgkin και Andrew Fielding Huxley, οι οποίοι κατασκεύασαν ένα μαθηματικό μοντέλο που εξηγούσε το δυναμικό δράσης που διαδίδεται κατά μήκος του άξονα ενός κυττάρου νευρώνα. Το μοντέλο τους περιέγραψε την κυτταρική λειτουργία που αναδύεται από την αλληλεπίδραση μεταξύ δύο διαφορετικών μοριακών συστατικών, του καναλιού καλίου και νατρίου, και επομένως μπορεί να θεωρηθεί ως η αρχή της βιολογίας των υπολογιστικών συστημάτων. Το 1960 ο Denis Noble ανέπτυξε το πρώτο μοντέλο υπολογιστή καρδιακού βηματοδότη.

Η επίσημη μελέτη της βιολογίας συστημάτων, ως ξεχωριστής επιστήμης, ξεκίνησε από τον θεωρητικό συστημάτων Mihailo Mesarovic το 1966 με ένα διεθνές συμπόσιο στο Κλίβελαντ του Οχάιο, με τίτλο «Συστήματα Θεωρία και Βιολογία».

Στις δεκαετίες του 1960 και του 1970 αναπτύχθηκαν διάφορες προσεγγίσεις για τη μελέτη πολύπλοκων μοριακών συστημάτων, όπως η ανάλυση μεταβολικού ελέγχου και η θεωρία βιοχημικών συστημάτων. Οι πρόοδοι στη μοριακή βιολογία κατά τη διάρκεια της δεκαετίας του 1980, σε συνδυασμό με τον σκεπτικισμό προς τη θεωρητική βιολογία, η οποία στη συνέχεια υποσχόταν περισσότερα από όσα πέτυχε, έκαναν την ποσοτική μοντελοποίηση των βιολογικών διεργασιών να γίνει ένα κάπως ασήμαντο πεδίο.

Ωστόσο, η γέννηση της λειτουργικής γονιδιωματικής στη δεκαετία του 1990 σήμαινε ότι μεγάλες ποσότητες δεδομένων υψηλής ποιότητας έγιναν διαθέσιμες, ενώ η υπολογιστική ισχύς εξερράγη, καθιστώντας δυνατά πιο ρεαλιστικά μοντέλα. Το 1992 και μετά το 1994, διαδοχικά άρθρα σχετικά με την ιατρική συστημάτων, τη γενετική συστημάτων και τη βιολογική μηχανική συστημάτων από τον B. Z. Το Zeng δημοσιεύτηκε στην Κίνα και έδωσε μια διάλεξη για τη θεωρία των βιοσυστημάτων και την έρευνα προσέγγισης συστημάτων στο Πρώτο Διεθνές Συνέδριο για τα Διαγονιδιακά Ζώα, Πεκίνο, 1996. Το 1997, η ομάδα Masaru Tomita δημοσίευσε το πρώτο ποσοτικό μοντέλο ολόκληρων (υποθετικών) κυττάρων μεταβολισμός.

Γύρω στο 2000, μετά την ίδρυση των Ινστιτούτων Βιολογίας Συστημάτων στο Σιάτλ και το Τόκιο, η βιολογία των συστημάτων εμφανίστηκε ως ένα κίνημα από μόνη της, υποκινούμενη από την ολοκλήρωση διαφόρων έργων γονιδιώματος, μια σημαντική αύξηση στα δεδομένα από την ωμική (π.χ. γονιδιωματική και πρωτεομική) , και τις συνοδευτικές προόδους σε πειράματα υψηλού επιπέδου, απόδοση και βιοπληροφορική.

• Transcriptomics

: Μετρήσεις έκφρασης γονιδίου οργανισμού, ιστού ή ολόκληρων κυττάρων με μικροσυστοιχίες DNA ή διαδοχική ανάλυση γονιδιακής έκφρασης

• Interferomics

: Παράγοντες διόρθωσης μεταγραφής σε επίπεδο οργανισμού, ιστού ή κυττάρου (π.χ. παρεμβολή RNA)

• Translatomics / Proteomics

: Μετρήσεις επιπέδου οργανισμών, ιστών ή κυττάρων πρωτεϊνών και πεπτιδίων μέσω ηλεκτροφόρησης γέλης 2D, φασματομετρίας μάζας ή πολυδιάστατων μεθόδων ταυτοποίησης πρωτεϊνών (προηγμένα συστήματα HPLC σε συνδυασμό με φασματομετρία μάζας). Οι επιμέρους κλάδοι περιλαμβάνουν τη φωσφοπρωτεϊμική, τη γλυκοπρωτεϊμική και άλλες μεθόδους για την ανίχνευση χημικά αλλοιωμένων πρωτεϊνών.

• Μεταβολομική

: Μετρήσεις επιπέδου οργανισμών, ιστών ή κυττάρων μικρών μορίων γνωστών ως μεταβολίτες

• Γλυκομικά

: Μετρήσεις υδατανθράκων σε οργανισμούς, ιστούς ή κύτταρα

• Λιπιδομική

: Μετρήσεις λιπιδίων σε οργανισμούς, ιστούς ή κύτταρα.

Εκτός από τον εντοπισμό και τον ποσοτικό προσδιορισμό των παραπάνω δεδομένων μορίων, περαιτέρω μέθοδοι αναλύουν τη δυναμική και τις αλληλεπιδράσεις στο κύτταρο. Αυτό περιλαμβάνει:

• Αλληλεπιδραστική

: Μελέτη αλληλεπιδράσεων μεταξύ μορίων σε επίπεδο οργανισμού, ιστών ή κυττάρων. Η τρέχουσα έγκυρη μοριακή πειθαρχία σε αυτό το πεδίο μελέτης είναι οι αλληλεπιδράσεις πρωτεΐνης με πρωτεΐνη (PPI), αν και ορισμός εργασίαςδεν αποκλείει τη συμπερίληψη άλλων μοριακών κλάδων όπως αυτοί που ορίζονται εδώ.

NeuroElectroDynamics

: Οργανισμός, εγκεφαλική υπολογιστική λειτουργία ως δυναμικό σύστημα, βασικοί βιοφυσικοί μηχανισμοί και αναδυόμενος υπολογισμός με ηλεκτρικές αλληλεπιδράσεις.

• Fluxomics

: Μετρήσεις επιπέδου οργανισμών, ιστών ή κυττάρων των μοριακών δυναμικών αλλαγών με την πάροδο του χρόνου.

• Βιομικρόμετρα

: Ανάλυση συστημάτων Biome.

• Σημειωμική

: Ανάλυση του συστήματος σχέσεων του ζωδίου ενός οργανισμού ή άλλου βιοσυστήματος.

• Η συστημική βιολογία του καρκίνου είναι μια σημαντική εφαρμογή της προσέγγισης της συστημικής βιολογίας, η οποία μπορεί να διακρίνει τον συγκεκριμένο σκοπό της μελέτης (ογκογένεση και θεραπεία καρκίνου). Λειτουργεί με συγκεκριμένα δεδομένα (δείγματα ασθενών, δεδομένα υψηλής απόδοσης με ιδιαίτερη προσοχή στον χαρακτηρισμό του γονιδιώματος του καρκίνου σε δείγματα όγκου ασθενών) και εργαλεία (αθανατοποιημένες κυτταρικές σειρές καρκίνου, μοντέλα ογκογένεσης ποντικών, μοντέλα ξενομοσχευμάτων, μέθοδοι αλληλουχίας επόμενης γενιάς, που βρίσκονται στο siRNA γονίδιο, συγχυτικές οθόνες, υπολογιστική μοντελοποίηση των συνεπειών των σωματικών μεταλλάξεων και της αστάθειας του γονιδιώματος). Μακροπρόθεσμος στόχοςσυστημική βιολογία του καρκίνου - η ικανότητα καλύτερης διάγνωσης του καρκίνου, ταξινόμησης και καλύτερης πρόβλεψης του αποτελέσματος της προτεινόμενης θεραπείας, η οποία αποτελεί τη βάση για μια εξατομικευμένη θεραπεία του καρκίνου και έναν εικονικό καρκινοπαθή στο μελλοντικό πιο μακρινό. Σημαντικές προσπάθειες στη Βιολογία του Καρκίνου Υπολογιστικών Συστημάτων έχουν επενδυθεί στη δημιουργία μιας ρεαλιστικής πολλαπλής κλίμακας σε πυρίτιομοντέλα διαφόρων όγκων.

Οι έρευνες συχνά συνδυάζονται με μεθόδους ανάδευσης μεγάλης κλίμακας, συμπεριλαμβανομένων γονιδιακών (RNAi, εσφαλμένη έκφραση γονιδίων άγριου τύπου και μεταλλαγμένων) και χημικών προσεγγίσεων που χρησιμοποιούν βιβλιοθήκες μικρών μορίων. Τα ρομπότ και οι αυτοματοποιημένοι αισθητήρες επιτρέπουν τέτοιου είδους πειραματισμούς μεγάλης κλίμακας και απόκτηση και συσσώρευση δεδομένων. Αυτές οι τεχνολογίες εξακολουθούν να αναδύονται και πολλά προβλήματα αντιμετωπίζουν ότι όσο μεγαλύτερη είναι η ποσότητα των δεδομένων που παράγονται, τόσο χαμηλότερη είναι η ποιότητα. Μια μεγάλη ποικιλία ποσοτικών επιστημόνων (υπολογιστικοί βιολόγοι, στατιστικολόγοι, μαθηματικοί, προγραμματιστές, μηχανικοί και φυσικοί) εργάζονται για να βελτιώσουν την ποιότητα αυτών των προσεγγίσεων και να δημιουργήσουν, να βελτιώσουν και να δοκιμάσουν ξανά μοντέλα για να αντικατοπτρίζουν με ακρίβεια τις παρατηρήσεις.

Η προσέγγιση της βιολογίας συστημάτων συχνά περιλαμβάνει την ανάπτυξη μηχανιστικών μοντέλων όπως η ανακατασκευή δυναμικών συστημάτων από τις ποσοτικές ιδιότητες των στοιχειωδών δομικών στοιχείων τους. Για παράδειγμα, ένα κυψελοειδές δίκτυο μπορεί να μοντελοποιηθεί μαθηματικά χρησιμοποιώντας μεθόδους που προέρχονται από τη χημική κινητική και τη θεωρία ελέγχου. Λόγω του μεγάλου αριθμού παραμέτρων, μεταβλητών και περιορισμών στα κυψελωτά δίκτυα, χρησιμοποιούνται συχνά αριθμητικές και υπολογιστικές μέθοδοι (π.χ. ανάλυση ισοζυγίου τήγματος).

Βιοπληροφορική και ανάλυση δεδομένων

Άλλες πτυχές της επιστήμης των υπολογιστών, της επιστήμης των υπολογιστών, της στατιστικής χρησιμοποιούνται επίσης στη βιολογία συστημάτων. Αυτά περιλαμβάνουν:

• Νέες μορφές υπολογιστικού μοντέλου, όπως η χρήση του λογισμού διεργασιών για τη μοντελοποίηση βιολογικών διεργασιών (οι αξιοσημείωτες προσεγγίσεις περιλαμβάνουν στοχαστικό π-λογισμό, BioAmbients, Beta Binders, BioPEPA και λογισμό Brane) και μοντελοποίηση με βάση περιορισμούς.
• Ενσωμάτωση πληροφοριών από τη βιβλιογραφία με χρήση μεθόδων εξαγωγής πληροφοριών και εξόρυξης κειμένου.
• Ανάπτυξη διαδικτυακών βάσεων δεδομένων και αποθετηρίων για διαχωρισμό δεδομένων και μοντέλων, προσεγγίσεις για την ενοποίηση και διαλειτουργικότητα βάσεων δεδομένων λογισμικόμέσω δωρεάν σύνδεσης λογισμικού, ιστοτόπων και βάσεων δεδομένων ή εμπορικών αξιώσεων.
• Ανάπτυξη συντακτικά και σημασιολογικά ορθών τρόπων αναπαράστασης βιολογικών μοντέλων.

• Συστημική βιολογία - διεπιστημονική επιστημονική κατεύθυνσηπου σχηματίζεται στη διασταύρωση βιολογίας και θεωρίας πολύπλοκα συστήματα, επικεντρώθηκε στη μελέτη σύνθετων αλληλεπιδράσεων σε ζωντανά συστήματα. Ο όρος χρησιμοποιήθηκε για πρώτη φορά σε ένα άρθρο του 1993 από τους W. Zieglgänsberger και TR. Tolle. Ο όρος «βιολογία συστημάτων» έγινε ευρέως διαδεδομένος μετά το 2000.

  Διαμορφώνει μια νέα προσέγγιση στην ερμηνεία των αποτελεσμάτων στη βιολογία του 21ου αιώνα αντί για τον παραδοσιακό αναγωγισμό για τη βιολογία των περασμένων αιώνων, και μια τέτοια νέα προσέγγιση αναφέρεται επί του παρόντος ως ολισμός και ολοκλήρωση στα αγγλικά. ολοκλήρωσης). Η κύρια προσοχή στη βιολογία των συστημάτων δίνεται στις λεγόμενες αναδυόμενες ιδιότητες, δηλαδή στις ιδιότητες των βιολογικών συστημάτων που δεν μπορούν να εξηγηθούν μόνο ως προς τις ιδιότητες των συστατικών τους.

  Η κατανόηση (Αγγλική διορατικότητα) της βιολογίας σε επίπεδο συστήματος καθιστά δυνατή την ορθότερη κατανόηση της δομής, της δυναμικής και των λειτουργιών τόσο ενός μεμονωμένου κυττάρου όσο και του οργανισμού στο σύνολό του παρά όταν εξετάζονται ξεχωριστά μέρη ενός κυττάρου ή ενός οργανισμού.

  Η βιολογία των συστημάτων είναι στενά συνδεδεμένη με τη μαθηματική βιολογία.

Σχετικές έννοιες

Η θεωρητική φυσική είναι ένας κλάδος της φυσικής στον οποίο η δημιουργία θεωρητικών (κυρίως μαθηματικών) μοντέλων φαινομένων και η σύγκρισή τους με την πραγματικότητα χρησιμοποιείται ως ο κύριος τρόπος κατανόησης της φύσης. Σε αυτή τη διατύπωση, η θεωρητική φυσική είναι μια ανεξάρτητη μέθοδος μελέτης της φύσης, αν και το περιεχόμενό της, φυσικά, διαμορφώνεται λαμβάνοντας υπόψη τα αποτελέσματα των πειραμάτων και των παρατηρήσεων της φύσης.

Το NeuroNet (αγγλικά NeuroNet, NeuroWeb, Brainet) ή Web 4.0 είναι ένα από τα προτεινόμενα στάδια στην ανάπτυξη του Παγκόσμιου Ιστού, στο οποίο η αλληλεπίδραση των συμμετεχόντων (άνθρωποι, ζώα, ευφυείς πράκτορες) θα πραγματοποιηθεί με βάση τις αρχές των νευροεπικοινωνιών . Προβλέπεται να αντικαταστήσει το Web 3.0 γύρω στο 2030-2040. Μία από τις βασικές αγορές που επιλέχθηκε για ανάπτυξη στο πλαίσιο της Ρωσικής Εθνικής Τεχνολογικής Πρωτοβουλίας.

"Επιστημονική Βιολογία Συστημάτων"

Εισαγωγή
Οι πρώτες προσπάθειες εφαρμογής της θεωρίας συστημάτων στη βιολογία χρονολογούνται από τη δεκαετία του 1930. Έτσι, το 1932, ο Walter Canon, Κοσμήτορας της Σχολής Φυσιολογίας του Πανεπιστημίου του Χάρβαρντ, στο βιβλίο του «The Wisdom of the Body» περιέγραψε τον όρο «ομοιόσταση» ως την ικανότητα των οργανισμών να διατηρούν μεγάλο αριθμό φυσιολογικών ποσοτήτων σε σταθερή επίπεδο, παρά τη συνεχή αλλαγή των συνθηκών εξωτερικό περιβάλλον. Το 1943, ο Αμερικανός μαθηματικός Norbert Wiener και οι συν-συγγραφείς του πρότειναν ότι οι αρνητικές ανατροφοδοτήσεις θα μπορούσαν να διαδραματίσουν κεντρικό ρόλο στη διατήρηση της σταθερότητας των ζωντανών συστημάτων, συνδέοντας έτσι τις έννοιες του ελέγχου και του βέλτιστου με τη δυναμική των βιολογικών συστημάτων. Τα τελευταία χρόνια, το ενδιαφέρον για μια συστηματική προσέγγιση στη βιολογία έχει προκληθεί από μια σημαντική ανακάλυψη στις τεχνολογίες αλληλούχισης και, ως αποτέλεσμα, την αποκωδικοποίηση γονιδιωμάτων, μεταγραφωμάτων και πρωτεωμάτων ανθρώπων και άλλων οργανισμών. Η διαθεσιμότητα ισχυρών υπολογιστικών πόρων (υπερυπολογιστές) και οι συνδέσεις στο Διαδίκτυο υψηλής ταχύτητας διευκόλυνε επίσης σημαντικά την πρόσβαση σε τεράστιες σειρές μοριακών βιολογικών δεδομένων και κατέστησε δυνατή την ανάλυσή τους, κάτι που έγινε σε μεγάλο βαθμό η βάση για τη βιολογία των σύγχρονων συστημάτων. Το ακόλουθο γεγονός μιλάει για την ενεργό ανάπτυξη αυτού του τομέα της βιολογίας τα τελευταία χρόνια: ο αριθμός των άρθρων που υποβλήθηκαν στο Pub med και περιείχαν τη φράση "βιολογία συστημάτων" αυξήθηκε από 140 το 2003 σε περισσότερα από 10.000 το 2013 (Afonnikov D.A., Mironova V. V., 20141).

Γενικές πληροφορίες
Η βιολογία συστημάτων είναι ένα ενεργά αναπτυσσόμενο διεπιστημονικό πεδίο της επιστήμης που αναλύει πολύπλοκα βιολογικά συστήματαλαμβάνοντας υπόψη την πολυσυστατική φύση τους, την παρουσία άμεσων και ανατροφοδότηση, καθώς και την ετερογένεια των πειραματικών δεδομένων. Αντικείμενο έρευνας στον τομέα αυτό μπορεί να είναι το σύστημα γονιδιακής ρύθμισης, ο μεταβολισμός, καθώς και η κυτταρική δυναμική και αλληλεπιδράσεις του κυτταρικού πληθυσμού.
Η βιολογία συστημάτων περιλαμβάνει επί του παρόντος τόσο συγκεκριμένες πειραματικές τεχνικές όσο και ένα πλούσιο θεωρητικό οπλοστάσιο. Η μοντελοποίηση στη βιολογία συστημάτων είναι το κύριο εργαλείο τόσο για την ανάλυση και την ολοκλήρωση πειραματικών δεδομένων όσο και για την πρόβλεψη της συμπεριφοράς ενός συστήματος υπό συνθήκες διαφορετικές από τις πειραματικές.
Πολλές μέθοδοι και προσεγγίσεις της θεωρητικής βιολογίας συστημάτων μπορούν να χρησιμοποιηθούν άμεσα για πρακτικά προβλήματα της φαρμακολογίας και της βιοβιομηχανίας. Ειδικότερα, εάν είναι απαραίτητο να περιγραφεί ποσοτικά και να προβλεφθεί η συμπεριφορά ενός πολύπλοκου μεταβολικού ή κυτταρικού συστήματος ή να βελτιστοποιηθεί η λειτουργία του, το βιολογικό μοντέλο του συστήματος γίνεται η μόνη εναλλακτική λύση στην δαπανηρή τυχαία απαρίθμηση χρησιμοποιώντας πολύπλοκες πειραματικές τεχνικές.

Ιστορία
Οι προϋποθέσεις για την εμφάνιση της συστημικής βιολογίας είναι:

Ποσοτική μοντελοποίηση της ενζυμικής κινητικής - μια κατεύθυνση που διαμορφώθηκε μεταξύ 1900 και 1970,
Μαθηματική μοντελοποίηση της αύξησης του πληθυσμού,
Μοντελοποίηση στη νευροφυσιολογία,
Θεωρία δυναμικών συστημάτων και κυβερνητική.
Ο πρωτοπόρος της βιολογίας συστημάτων μπορεί να θεωρηθεί ο Ludwig von Bertalanffy, ο δημιουργός της γενικής θεωρίας των συστημάτων, ο συγγραφέας του βιβλίου «General Theory of Systems in Physics and Biology», που δημοσιεύτηκε το 1950. Ένα από τα πρώτα αριθμητικά μοντέλα στη βιολογία είναι αυτό των Βρετανών νευροφυσιολόγων και βραβευθέντων με Νόμπελ Hodgkin και Huxley, που δημοσιεύτηκε το 1952. Οι συγγραφείς δημιούργησαν ένα μαθηματικό μοντέλο που εξηγεί τη διάδοση ενός δυναμικού δράσης κατά μήκος του άξονα ενός νευρώνα. Το μοντέλο τους περιέγραψε τον δυνητικό μηχανισμό διάδοσης ως αλληλεπίδραση μεταξύ δύο διαφορετικών μοριακών συστατικών: των καναλιών για κάλιο και νάτριο, τα οποία μπορούν να θεωρηθούν ως η αρχή της βιολογίας των υπολογιστικών συστημάτων. Το 1960, με βάση το μοντέλο των Hodgkin και Huxley, ο Denis Nobl...