Системная биология — это вычислительный и математический анализ и моделирование сложных биологических систем . Это междисциплинарная область исследований, основанная на биологии , которая фокусируется на сложных взаимодействиях внутри биологических систем с использованием целостного подхода ( холизма вместо более традиционного редукционизма ) к биологическим исследованиям. [1]
В частности, начиная с 2000 года, эта концепция широко использовалась в биологии в самых разных контекстах. Проект «Геном человека» является примером прикладного системного мышления в биологии, которое привело к новым совместным способам работы над проблемами в области биологической генетики. [2] Одной из целей системной биологии является моделирование и обнаружение эмерджентных свойств , свойств клеток , тканей и организмов , функционирующих как система , теоретическое описание которых возможно только с использованием методов системной биологии. [1] [3] Обычно они включают метаболические сети или сети клеточной сигнализации . [1] [4]
Системную биологию можно рассматривать с нескольких различных аспектов.
В качестве области исследования, в частности, изучение взаимодействий между компонентами биологических систем и того, как эти взаимодействия приводят к функционированию и поведению этой системы (например, ферменты и метаболиты в метаболическом пути или сердцебиение). ). [5] [6] [7]
Как парадигму системную биологию обычно определяют в противоположность так называемой редукционистской парадигме ( биологической организации ), хотя она согласуется с научным методом . Различие между двумя парадигмами упоминается в этих цитатах: « Редукционистский подход успешно определил большинство компонентов и многие взаимодействия, но, к сожалению, не предлагает убедительных концепций или методов для понимания того, как возникают свойства системы... плюрализм Причины и следствия в биологических сетях лучше решать путем наблюдения посредством количественных измерений нескольких компонентов одновременно и путем строгой интеграции данных с математическими моделями». (Зауэр и др. ) [8] «Системная биология... занимается объединением, а не разбиранием, интеграцией, а не редукцией. ... Это означает изменение нашей философии в полном смысле этого слова». ( Денис Ноубл ) [7]
В качестве серии операционных протоколов, используемых для проведения исследований, а именно цикла, состоящего из теории, аналитического или компьютерного моделирования для предложения конкретных проверяемых гипотез о биологической системе, экспериментальной проверки, а затем использования недавно полученного количественного описания клеток или клеточных процессов для уточнения. вычислительная модель или теория. [9] Поскольку целью является модель взаимодействий в системе, экспериментальные методы, которые больше всего подходят для системной биологии, являются общесистемными и стараются быть как можно более полными. Поэтому транскриптомика , метаболомика , протеомика и высокопроизводительные методы используются для сбора количественных данных для построения и проверки моделей. [10]
Как приложение теории динамических систем к молекулярной биологии . Действительно, сосредоточенность на динамике изучаемых систем является основным концептуальным отличием системной биологии от биоинформатики . [11]
Как социально-научное явление, определяемое стратегией интеграции сложных данных о взаимодействиях в биологических системах из различных экспериментальных источников с использованием междисциплинарных инструментов и персонала. [12]
Хотя концепция системного взгляда на клеточные функции была хорошо понята, по крайней мере, с 1930-х годов, [13] технологические ограничения затрудняли проведение общесистемных измерений. Появление технологии микрочипов в 1990-х годах открыло совершенно новые возможности для изучения клеток на системном уровне. В 2000 году в Сиэтле был основан Институт системной биологии с целью привлечь людей «вычислительного» типа, которых, как считалось, не привлекала академическая среда университета. У института не было четкого определения того, чем на самом деле была эта область: примерное объединение людей из разных областей для использования компьютеров для целостного изучения биологии новыми способами. [14] Кафедра системной биологии в Гарвардской медицинской школе была открыта в 2003 году. [15] В 2006 году было предсказано, что ажиотаж, вызванный «очень модной» новой концепцией, приведет к тому, что все крупные университеты потребуют кафедры системной биологии. таким образом, будет доступна карьера для выпускников с хоть какими-то способностями в компьютерном программировании и биологии. [14] В 2006 году Национальный научный фонд поставил задачу построить математическую модель всей клетки. [ нужна цитата ] В 2012 году первая цельноклеточная модель Mycoplasmaogenicium 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. [16]
Более ранним предшественником системной биологии, как отдельной дисциплины, возможно, был системный теоретик Михайло Месарович в 1966 году на международном симпозиуме в Технологическом институте Кейса в Кливленде , штат Огайо, под названием « Теория систем и биология» . Месарович предсказал, что, возможно, в будущем появится такая вещь, как «системная биология». [17] [18] Другими ранними предшественниками, которые придерживались мнения, что биологию следует анализировать как систему, а не как простой набор частей, были « Анализ метаболического контроля» , разработанный Хенриком Качером и Джимом Бернсом [19], позже тщательно переработанный, [20] и Рейнхарт Генрих и Том Рапопорт , [21] и Теория биохимических систем, разработанная Майклом Саважо [22] [23] [24]
По словам Роберта Розена в 1960-х годах, к началу 20-го века целостная биология ушла в прошлое, поскольку стала популярной эмпирическая наука, в которой доминировала молекулярная химия. [18] Вторя ему сорок лет спустя, в 2006 году, Клинг пишет, что успех молекулярной биологии на протяжении 20-го века подавил целостные вычислительные методы. [14] К 2011 году Национальные институты здравоохранения предоставили гранты для поддержки более десяти центров системной биологии в Соединенных Штатах, [25] но к 2012 году Хантер пишет, что системной биологии еще предстоит что-то сделать, чтобы полностью раскрыть свой потенциал. Тем не менее, сторонники надеялись, что в будущем это может оказаться более полезным. [26]
Важной вехой в развитии системной биологии стал международный проект Physiome . [ нужна цитата ]
Согласно интерпретации системной биологии как использования больших наборов данных с использованием междисциплинарных инструментов, типичным применением является метаболомика , которая представляет собой полный набор всех продуктов метаболизма, метаболитов , в системе на уровне организма, клетки или ткани. [28]
Элементы, которые могут представлять собой компьютерную базу данных, включают: феномику , вариации фенотипа организма по мере его изменения в течение его жизни; геномика , последовательность дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) организма, включая внутриклеточные специфичные вариации. (т.е. изменение длины теломер ); эпигеномика / эпигенетика , организменные и соответствующие клеточно-специфичные транскриптомные регулирующие факторы, не закодированные эмпирически в геномной последовательности. (т.е. метилирование ДНК , ацетилирование и деацетилирование гистонов и т.д.); транскриптомика , измерения экспрессии генов в организмах, тканях или целых клетках с помощью микрочипов ДНК или серийный анализ экспрессии генов ; интерферомика , корректирующие факторы транскрипта на организменном, тканевом или клеточном уровне (т.е. РНК-интерференция ), протеомика , измерения белков и пептидов на организменном, тканевом или клеточном уровне с помощью двумерного гель-электрофореза , масс-спектрометрии или методов многомерной идентификации белков. (современные системы ВЭЖХ в сочетании с масс-спектрометрией ). Поддисциплины включают фосфопротеомику , гликопротеомику и другие методы обнаружения химически модифицированных белков; гликомические , организменные, тканевые или клеточные измерения углеводов ; липидомика , измерение липидов на организменном, тканевом или клеточном уровне . [ нужна цитата ]
Также изучаются молекулярные взаимодействия внутри клетки, это называется интерактомикой . [29] Дисциплиной в этой области исследований являются белок-белковые взаимодействия , хотя интерактомика включает взаимодействия других молекул. [ нужна цитация ] Нейроэлектродинамика , где вычислительная функция компьютера или мозга как динамическая система изучается наряду с ее (био)физическими механизмами; [30] и флюксомика — измерение скорости метаболических реакций в биологической системе (клетке, ткани или организме). [28]
При подходе к проблеме системной биологии существует два основных подхода. Это подходы «сверху вниз» и «снизу вверх». Подход «сверху вниз» учитывает как можно большую часть системы и во многом опирается на экспериментальные результаты. Метод RNA-Seq является примером экспериментального подхода «сверху вниз». И наоборот, подход «снизу вверх» используется для создания подробных моделей с включением экспериментальных данных. Примером подхода «снизу вверх» является использование схемных моделей для описания простой генной сети. [31]
Различные технологии, используемые для отслеживания динамических изменений в мРНК, белках и посттрансляционных модификациях. Механобиология , силы и физические свойства во всех масштабах, их взаимодействие с другими регуляторными механизмами; [32] биосемиотика , анализ системы знаковых отношений организма или других биосистем; Физиомика — систематическое изучение физиомы в биологии.
Системная биология рака является примером подхода системной биологии, который можно отличить по конкретному объекту исследования ( онкогенез и лечение рака ). Он работает с конкретными данными (образцы пациентов, данные высокой пропускной способности с особым вниманием к характеристикам генома рака в образцах опухолей пациентов) и инструментами (иммортализованные линии раковых клеток , мышиные модели онкогенеза, модели ксенотрансплантатов , методы высокопроизводительного секвенирования , миРНК- высокопроизводительные скрининги на основе нокдауна генов , компьютерное моделирование последствий соматических мутаций и нестабильности генома ). [33] Долгосрочной целью системной биологии рака является способность лучше диагностировать рак, классифицировать его и лучше прогнозировать результат предлагаемого лечения, что является основой персонализированной медицины рака и виртуального онкологического пациента в более отдаленной перспективе. Значительные усилия в области вычислительной системной биологии рака были предприняты для создания реалистичных многомасштабных in silico моделей различных опухолей. [34]
Подход системной биологии часто включает в себя разработку механистических моделей, таких как реконструкция динамических систем на основе количественных свойств их элементарных строительных блоков. [35] [36] [37] [38] Например, сотовую сеть можно смоделировать математически, используя методы химической кинетики [39] и теории управления . Из-за большого количества параметров, переменных и ограничений в сотовых сетях часто используются численные и вычислительные методы (например, анализ баланса потоков ). [37] [39]
Другие аспекты информатики, информатики и статистики также используются в системной биологии. К ним относятся новые формы вычислительных моделей, такие как использование исчисления процессов для моделирования биологических процессов (известные подходы включают стохастическое π-исчисление , BioAmbients, Beta Binders, BioPEPA и исчисление Брана) и моделирование на основе ограничений ; интеграция информации из литературы с использованием методов извлечения информации и интеллектуального анализа текста ; [40] разработка онлайн-баз данных и хранилищ для обмена данными и моделями, подходов к интеграции баз данных и совместимости программного обеспечения посредством свободной связи программного обеспечения, веб-сайтов и баз данных или коммерческих костюмов; сетевые подходы для анализа многомерных наборов геномных данных. Например, анализ сети взвешенной корреляции часто используется для идентификации кластеров (называемых модулями), моделирования взаимосвязей между кластерами, расчета нечетких показателей членства в кластере (модуле), идентификации внутримодульных узлов и для изучения сохранения кластеров в других наборах данных; методы анализа омических данных, основанные на путях, например, подходы к идентификации и оценке путей с различной активностью их генов, белков или метаболитов. [41] 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. [42]
Исследователи начинают с выбора биологического пути и построения диаграмм всех белковых, генных и/или метаболических путей. После определения всех взаимодействий для описания скорости реакций в системе используются кинетика действующих масс или законы кинетической скорости ферментов . Используя закон сохранения массы, можно построить дифференциальные уравнения биологической системы. Для определения значений параметров, которые будут использоваться в дифференциальных уравнениях, можно провести эксперименты или подбор параметров . [44] Эти значения параметров будут различными кинетическими константами, необходимыми для полного описания модели. Эта модель определяет поведение видов в биологических системах и дает новое представление о конкретной деятельности системы. Иногда невозможно собрать все скорости реакций системы. Неизвестные скорости реакции определяются путем моделирования модели известных параметров и целевого поведения, которая обеспечивает возможные значения параметров. [45] [43]
Использование методов реконструкции и анализа на основе ограничений (COBRA) стало популярным среди системных биологов для моделирования и прогнозирования метаболических фенотипов с использованием моделей масштаба генома. Одним из методов является подход анализа баланса потоков (FBA), с помощью которого можно изучать биохимические сети и анализировать поток метаболитов через определенную метаболическую сеть путем оптимизации интересующей целевой функции (например, максимизации производства биомассы для прогнозирования роста). . [46]
{{cite journal}}
: Требуется цитировать журнал |journal=
( помощь ){{cite journal}}
: Требуется цитировать журнал |journal=
( помощь ){{cite journal}}
: Требуется цитировать журнал |journal=
( помощь )