Biologia sistemelor. Biologia sistemelor despre îmbătrânire

Ce este biologia sistemelor și ce oportunități deschide în studiul celulelor? Cum ne ajută biologia sistemelor să înțelegem mai bine mecanismele cancerului și principiile tratamentului acestuia? Care sunt evoluțiile actuale în domeniul medicamentelor pentru cancer? Doctorul în științe biologice Mikhail Gelfand vorbește despre asta.

Noile tehnologii de secvențiere, noile tehnologii pentru determinarea secvenței nucleotidelor din genomi pot fi folosite de fapt nu numai pentru a studia genomurile în sine, ci și pentru a studia modul în care este structurată celula, interacțiunile individuale în celule. Și în ultimii ani Au apărut multe tehnici experimentale, care se bazează pe determinarea secvenței nucleotidelor din fragmente ale genomului, dar în acest caz studiezi nu genomul, ci tot felul de interacțiuni care apar în celulă. Acest domeniu se numește biologie a sistemelor - în sensul că privești celula ca întregul sistem: nu pentru o singură genă sau proteină, ci pentru toate proteinele și interacțiunile simultan.

De ce genomurile sunt la fel, dar țesuturile și celulele sunt diferite? Răspuns: pentru că în ele lucrează diferite gene. Avem 25 de mii de gene care codifică proteine ​​și avem și gene ARN. Și nu este posibil ca toate genele din fiecare celulă să funcționeze simultan. Iar individualitatea celulelor și a țesuturilor este determinată de genele care lucrează în ele și care sunt tăcute. Și puteți privi pur și simplu ce gene funcționează, din care sunt citite informațiile și cât de intens are loc această citire. Puteți vedea ce proteine ​​interacționează cu ADN-ul, care este aceeași tehnică ca atunci când se analizează structura spațială. Luați multe celule, coaseți chimic proteine ​​la ADN, acele proteine ​​care interacționează în prezent cu ADN-ul se dovedesc a fi cusute strâns, apoi tăiați ADN-ul, trageți proteinele care sunt cusute în el și determinați secvențele care s-au întins împreună cu acestea. proteine ​​. O compari cu genomul și vezi că proteina specială pe care ai extras-o este asociată cu genomul într-un anume set de locuri, cu așa și cutare intensitate.

Pe de o parte, am început să înțelegem mult mai multe, pentru prima dată putem începe să ne gândim la modul în care celula este structurată ca întreg - nu cum arată, nu ce vedem la microscop, ci cum sunt interacțiunile moleculare. aranjate în el, cum sunt aranjate toate mecanismele, căile de semnalizare, funcționarea genelor, pornit/oprit. Pe de altă parte, a devenit clar cât de mult nu înțelegem. În termeni absoluti, am devenit mult mai deștepți, iar în termeni relativi, mult mai proști, pentru că am văzut că ceva ce credeam că înțelegem destul de bine, ceva ce trebuia doar finalizat puțin, s-a dovedit că era mult mai mult. Există. Neînțelegerea noastră despre biologie a crescut foarte mult.

Biologia sistemelor- modelarea computaţională şi matematică a sistemelor biologice complexe. Abordarea tehnică emergentă a fost biomedicală și biologică cercetarea stiintifica Biologia sistemelor este un domeniu de studiu interdisciplinar bazat pe biologie care se concentrează pe interacțiunile complexe din cadrul sistemelor biologice, folosind o abordare holistică (holism în loc de reducționismul mai tradițional) a cercetării biologice și biomedicale. În special începând cu anul 2000, conceptul a fost utilizat pe scară largă în științele biologice într-o varietate de contexte. De exemplu, proiectul genomului uman este un exemplu de gândire a sistemelor aplicate în biologie, care a condus la noi moduri de colaborare de lucru la problemele din domeniul biologic al geneticii. Unul dintre obiectivele generale ale biologiei sistemelor este de a modela și descoperi proprietăți emergente, proprietăți ale celulelor, țesuturilor și organismelor care funcționează ca un sistem, a căror descriere teoretică este doar posibile metode de utilizare care intră în domeniul de aplicare al biologiei sistemelor. Acestea implică de obicei rețele metabolice sau rețele de semnalizare celulară.

Recenzie

Biologia sistemelor poate fi privită din mai multe aspecte diferite:

• Ca domeniu de studiu, în special, studiul interacțiunilor dintre componentele sistemelor biologice și modul în care aceste interacțiuni dau naștere funcției și comportamentului acelui sistem (de exemplu, enzime și metaboliți într-o cale metabolică).
• Ca paradigmă, de obicei definită în antiteză cu așa-numita paradigmă reducționistă ( organizare biologică), deși complet în concordanță cu metoda stiintifica. Diferența dintre cele două paradigme este menționată în aceste citate:

• Ca o serie de protocoale operaționale utilizate pentru a efectua cercetări, și anume, teorii compuse în cicluri, modelare analitică sau computațională pentru a propune ipoteze specifice testabile despre un sistem biologic, verificare experimentalăși apoi folosind descrierea cantitativă nou dobândită a celulelor sau a proceselor celulare pentru a îmbunătăți modelul sau teoria computațională. Deoarece scopul este de a modela interacțiunile dintr-un sistem, metodele experimentale pe care le caută majoritatea biologiei sistemelor sunt cele care sunt la nivelul întregului sistem și încearcă să fie cât mai complete posibil. Prin urmare, transcriptomica, metabolomica, proteomica și metodele cu randament ridicat sunt utilizate pentru a colecta date cantitative pentru construirea și validarea modelelor.
• Cum se aplică teoria sistemelor dinamice la biologie moleculară. Într-adevăr, atenția acordată dinamicii sistemelor studiate este principala diferență conceptuală dintre biologia sistemelor și bioinformatică.
• Ca fenomen socioștiințific, definit de strategia de urmărire a integrării datelor complexe despre interacțiunile în sistemele biologice dintr-o varietate de surse experimentale, folosind instrumente și personal interdisciplinar.

Această diversitate de puncte de vedere este ilustrată de faptul că biologia sistemelor se referă la un grup de concepte care se suprapun la distanță, mai degrabă decât la un singur domeniu bine definit. Cu toate acestea, termenul are o actualitate și popularitate larg răspândite din 2007, cu catedre și institute de biologie a sistemelor răspândindu-se în întreaga lume.

Poveste

Biologia sistemelor își găsește rădăcinile în:

• modelarea cantitativă a cineticii enzimatice, o disciplină care a înflorit între 1900 și 1970,
• modelarea matematică a dinamicii demografice,
• simulările au evoluat pentru a studia neurofiziologia şi
• teoria controlului și cibernetica.

Unul dintre teoreticienii care pot fi priviți drept unul dintre precursorii biologiei sistemelor este Ludwig von Bertalanffy cu teoria sa generală a sistemelor. Una dintre primele simulări numerice în citobiologie a fost publicată în 1952 de neurofiziologii britanici și laureații Nobel Alan Lloyd Hodgkin și Andrew Fielding Huxley, care au construit un model matematic care a explicat potențialul de acțiune care se propagă de-a lungul axonului unei celule neuronale. Modelul lor a descris funcția celulară care rezultă din interacțiunea dintre două componente moleculare diferite, canalul de potasiu și sodiu și, prin urmare, poate fi văzută ca începutul biologiei sistemelor computaționale. În 1960, Denis Noble a dezvoltat primul model computerizat de stimulator cardiac.

Studiul formal al biologiei sistemelor, ca disciplină distinctă, a fost inițiat de teoreticianul sistemelor Mihailo Mesarovic în 1966 cu un simpozion internațional la Cleveland, Ohio, intitulat „Teoria și biologia sistemelor”.

Anii 1960 și 1970 au văzut dezvoltarea mai multor abordări pentru studiul sistemelor moleculare complexe, cum ar fi analiza controlului metabolic și teoria sistemelor biochimice. Progresele în biologia moleculară din anii 1980, împreună cu scepticismul față de biologia teoretică, care promitea mai mult decât a realizat, au făcut ca modelarea cantitativă a proceselor biologice să devină un domeniu oarecum minor.

Cu toate acestea, nașterea genomicii funcționale în anii 1990 a însemnat că au devenit disponibile cantități mari de date de înaltă calitate, în timp ce puterea de calcul a explodat, făcând posibile modele mai realiste. În 1992, apoi 1994, articole succesive despre medicina sistemelor, genetica sistemelor și dezvoltarea biologică a sistemelor de B. Ts. Zeng a fost publicat în China și a susținut o prelegere despre teoria biosistemelor și cercetării abordărilor sistemelor la Prima Conferință Internațională a Animalelor Transgenice, Beijing, 1996. În 1997, grupul lui Masaru Tomita a publicat primul model cantitativ al metabolismului unui întreg ( ipotetică) celulă.

În jurul anului 2000, după ce institutele de biologie a sistemelor au fost fondate în Seattle și Tokyo, biologia sistemelor a apărut ca o mișcare în sine, stimulată de finalizarea diferitelor proiecte genomice, creșterea semnificativă a datelor din omică (cum ar fi genomica și proteomica), și progresele însoțitoare în experimente de înaltă tehnologie și bioinformatică.

• Transcriptomica

: Măsurători ale expresiei genelor din organism, țesut sau celule întregi prin micromatrice ADN sau analiză secvenţială a expresiei genelor

• Interferomică

: Factori de corectare a transcripției la nivel de organism, țesut sau celule (adică interferența ARN)

• Translatomica / Proteomica

: Măsurători la nivel de organism, țesut sau celular ale proteinelor și peptidelor prin electroforeză bidimensională pe gel, spectrometrie de masă sau metode de identificare a proteinelor multidimensionale (sisteme HPLC avansate cuplate cu spectrometrie de masă). Subdisciplinele includ fosfoproteomica, glicoproteomica și alte metode de detectare a proteinelor modificate chimic.

• Metabolomica

: Măsurătorile la nivel de organism, țesut sau celule ale moleculelor mici cunoscute sub numele de metaboliți

• Glicomice

: Măsurători ale nivelului de carbohidrați în organism, țesut sau celule

• Lipidomica

: Măsurători ale nivelului lipidelor în organism, țesut sau celule.

Pe lângă identificarea și cuantificarea moleculelor de date de mai sus, alte metode analizează dinamica și interacțiunile din celulă. Aceasta include:

• Interactomica

: Studiu la nivel de organism, țesut sau celular al interacțiunilor dintre molecule. Disciplina moleculară stabilită în prezent în acest domeniu de cercetare este interacțiunile proteină-proteină (PPI), deși definiție de lucru nu exclude includerea altor discipline moleculare precum cele definite aici.

NeuroElectroDinamica

: Funcție de calcul organică a creierului ca sistem dinamic, mecanisme biofizice de bază și calcul emergente prin interacțiuni electrice.

• Fluxomica

: Măsurători la nivel de organism, țesut sau celule ale modificărilor dinamice moleculare în timp.

• Biomicrometre

: Analiza sistemelor de biome.

• Semiomica

: Analiza sistemului de relații ale semnului unui organism sau altui biosistem.

• Biologia sistemelor canceroase este o aplicație importantă a abordării biologiei sistemelor care poate distinge scopul specific al studiului (tumorigeneza și tratamentul cancerului). Funcționează cu date specifice (probe de pacienți, date cu randament ridicat, cu un accent special pe caracterizarea genomului cancerului în probele tumorale ale pacientului) și instrumente (linii de celule canceroase imortalizate, modele de șoarece de tumorigeneză, modele de xenogrefă, metode de aliniere de generație următoare, bazate pe gene siRNA). , afișaje confuze, modelarea computațională a consecințelor mutațiilor corporale și instabilitatea genomului). Scop pe termen lung biologia sistemelor cancerului - capacitatea de a diagnostica mai bine cancerul, de a-l clasifica și de a prezice mai bine rezultatul unui tratament propus, care stă la baza unei vindecări personalizate a cancerului și a unui pacient virtual cu cancer pe termen lung așteptat. S-au depus eforturi semnificative în biologia sistemelor computaționale a cancerului în crearea unei multiscale realiste in silico modele de diferite tumori.

Investigațiile sunt adesea combinate cu metode de formă de undă la scară largă, inclusiv abordări bazate pe gene (ARNi, expresie greșită a genelor de tip sălbatic și mutante) și abordări chimice folosind biblioteci de molecule mici. Roboții și senzorii automatizați permit experimentarea la scară largă și achiziția și acumularea de date. Aceste tehnologii sunt încă în curs de dezvoltare și multe probleme se confruntă cu faptul că, cu cât cantitatea de date produsă este mai mare, cu atât calitatea este mai scăzută. O mare varietate de oameni de știință cantitativi (biologi computaționali, statisticieni, matematicieni, informaticieni, ingineri și fizicieni) lucrează pentru a îmbunătăți calitatea acestor abordări și pentru a crea, rafina și retestează modele pentru a reflecta cu acuratețe observațiile.

Abordarea biologiei sistemelor implică adesea dezvoltarea de modele mecaniciste, cum ar fi reconstrucția sistemelor dinamice din proprietățile cantitative ale blocurilor lor elementare. De exemplu, o rețea celulară poate fi modelată matematic folosind metode care provin din cinetica chimică și teoria controlului. Datorită numărului mare de parametri, variabile și limitări din rețelele celulare, se folosesc adesea metode numerice și de calcul (de exemplu, analiza bilantului de topire).

Bioinformatica si analiza datelor

Alte aspecte ale informaticii, științei informației și statisticii sunt, de asemenea, utilizate în biologia sistemelor. Acestea includ:

• Noi forme de model computațional, cum ar fi utilizarea calculului de proces pentru a modela procesele biologice (abordările binecunoscute includ calculul π stocastic, BioAmbients, Beta Binders, BioPEPA și calculul Brane) și modelarea bazată pe constrângeri.
• Integrarea informațiilor din literatură folosind metode de extragere a informațiilor și analiză profundă a textului.
• Dezvoltarea de baze de date și depozite online pentru separarea datelor și modelelor, abordări ale integrării bazelor de date și interoperabilitate software prin conexiuni gratuite de software, site-uri web și baze de date sau revendicări comerciale.
• Dezvoltarea unor modalități solide din punct de vedere sintactic și semantic de reprezentare a modelelor biologice.

• Biologia sistemelor – interdisciplinară direcție științifică, format la intersecția dintre biologie și teorie sisteme complexe orientat spre învăţare interacțiuni complexeîn sistemele vii. Termenul a fost folosit pentru prima dată într-un articol din 1993 de W. Zieglgänsberger și TR. Tölle. Termenul de „biologie a sistemelor” a devenit larg răspândit după 2000.

  Formează o nouă abordare a interpretării rezultatelor în biologia secolului 21 în locul reducționismului tradițional pentru biologia secolelor trecute, iar o astfel de abordare nouă este desemnată în prezent prin termenii holism și integrationism în limba engleză. integraționism). Atenția principală în biologia sistemelor este acordată așa-numitelor proprietăți emergente, adică proprietăților sistemelor biologice care nu pot fi explicate doar prin prisma proprietăților componentelor sale.

  Înțelegerea biologiei la nivel de sistem face posibilă înțelegerea mai precisă a structurii, dinamicii și funcțiilor atât ale unei celule individuale, cât și ale organismului în ansamblu decât atunci când luăm în considerare părți individuale ale unei celule sau organism.

  Biologia sistemelor este strâns legată de biologia matematică.

Concepte înrudite

Fizica teoretică este o ramură a fizicii în care principalul mod de a înțelege natura este de a crea modele teoretice (în primul rând matematice) ale fenomenelor și de a le compara cu realitatea. În această formulare fizica teoretica este o metodă independentă de studiere a naturii, deși conținutul ei, în mod firesc, se formează ținând cont de rezultatele experimentelor și observațiilor naturii.

NeuroNet (în engleză: NeuroNet, NeuroWeb, Brainet) sau Web 4.0 este una dintre etapele propuse în dezvoltarea World Wide Web, în ​​care interacțiunea participanților (oameni, animale, agenți inteligenți) se va desfășura pe principiile neurocomunicatii. Conform previziunilor, ar trebui să înlocuiască Web 3.0 aproximativ în 2030-2040. Una dintre piețele cheie selectate pentru dezvoltare în cadrul Inițiativei Tehnologice Naționale a Rusiei.

„Știința biologiei sistemelor”

Introducere
Primele încercări de a aplica teoria sistemelor la biologie datează din anii 30 ai secolului XX. Astfel, în 1932, Walter Cannon, decanul Departamentului de Fiziologie de la Universitatea Harvard, în cartea sa „The Wisdom of the Body” a descris termenul „homeostazie” ca fiind capacitatea organismelor de a menține un număr mare de cantități fiziologice la o constantă. nivel, în ciuda schimbărilor continue ale condițiilor mediu extern. În 1943, matematicianul american Norbert Wiener și coautorii săi au propus că feedback-ul negativ ar putea juca un rol central în menținerea stabilității sistemelor vii, legând astfel conceptele de control și optim de dinamica sistemelor biologice. În ultimii ani, interesul pentru abordare sistematicăîn biologie a fost cauzată de o descoperire în tehnologiile de secvențiere și, ca urmare, de descifrarea genomilor, transcriptomilor și proteomilor oamenilor și altor organisme. Disponibilitatea unor resurse de calcul puternice (supercomputere) și a conexiunilor la Internet de mare viteză a facilitat, de asemenea, foarte mult accesul la cantități uriașe de date biologice moleculare și a oferit posibilitatea analizei acestora, care au devenit în mare parte baza pentru biologia sistemelor moderne. Dezvoltarea activă a acestui domeniu de biologie în ultimii ani este evidențiată de următorul fapt: numărul de articole trimise la Pub med și care conțin sintagma „biologie a sistemelor” a crescut de la 140 în 2003 la peste 10.000 în 2013 (Afonnikov D.A. , Mironova V. V., 20141).

Informații generale
Biologia sistemelor este un domeniu interdisciplinar al științei în curs de dezvoltare, care analizează complexe sisteme biologiceținând cont de natura lor multicomponentă, prezența directă și feedback, precum și eterogenitatea datelor experimentale. Subiectele cercetării în acest domeniu pot include sistemul de reglare a genelor, metabolismul, precum și dinamica celulară și interacțiunile populației celulare.
Biologia sistemelor include în prezent atât tehnici experimentale specifice, cât și un bogat arsenal teoretic. Modelarea în biologia sistemelor este un instrument fundamental atât pentru analizarea și integrarea datelor experimentale, cât și pentru realizarea de predicții despre comportamentul sistemului în condiții neexperimentale.
Multe metode și abordări ale biologiei sistemelor teoretice pot fi utilizate direct pentru probleme practice din farmacologie și bioindustrie. În special, dacă este necesar să se descrie și să prezică cantitativ comportamentul unui sistem metabolic sau celular complex sau să se optimizeze funcționarea acestuia, un model de biologie a sistemelor devine singura alternativă la căutarea aleatorie costisitoare folosind tehnici experimentale complexe.

Poveste
Condițiile prealabile pentru apariția biologiei sistemelor sunt:

Modelarea cantitativă a cineticii enzimatice este un domeniu care a apărut între 1900 și 1970.
Modelarea matematică a creșterii populației,
Modelare în neurofiziologie,
Teoria sistemelor dinamice și cibernetică.
Pionierul biologiei sistemelor poate fi considerat Ludwig von Bertalanffy, creatorul teoriei generale a sistemelor, autorul cărții „ Teoria generală sisteme în fizică și biologie”, publicată în 1950. Unul dintre primele modele numerice din biologie este modelul neurofiziologilor și laureaților britanici Premiul Nobel Hodgkin și Huxley, publicat în 1952. Autorii au creat un model matematic care explică propagarea unui potențial de acțiune de-a lungul axonului unui neuron. Modelul lor a descris mecanismul de propagare potențial ca o interacțiune între două componente moleculare diferite: canalele de potasiu și sodiu, care pot fi privite drept începutul biologiei sistemelor computaționale. În 1960, pe modelul lui Hodgkin și Huxley, Denis Noble...