Системная биология

Системно-биологический подход.

Systems Biology (синоним: Systeomik , английские системы биология , интегративная биология или предсказание биологии ) является филиалом биологических наук , что попытки биологических организмов , чтобы понять во всей ее полноте.

Цель состоит в том, чтобы получить комплексную картину всех регуляторных процессов на всех уровнях от генома до протеома и органелл до поведения и биомеханики всего организма. Основные методы для этой цели исходят из теории систем и ее подразделов. Однако, поскольку математико-аналитическая сторона системной биологии несовершенна, компьютерное моделирование и эвристика часто используются в качестве методов исследования .

Системная биология вновь рассматривает время как важный фактор в молекулярной биологии . До сих пор это позволяло избежать рассмотрения точного времени реакции; совершенно в отличие от биохимии . Системная биология возвращается к биохимическому взгляду на мир, беспокоясь о процессах и о том, как они меняются с течением времени, но с радикальным расширением шкалы. Тысячи реагентов наблюдаются в системной биологии, что приводит к тому, что системная биология представляет собой гораздо более динамичный взгляд на биологию, чем в классической молекулярной биологии или генетике .

Определения

  • Системная биология не изучает отдельные гены или белки в определенный момент времени, как это успешно практикуется в течение последних 30 лет. Он изучает поведение и взаимосвязь всех элементов данной биологической системы во время ее функционирования.
  • Чтобы понять биологию на системном уровне, необходимо изучить структуру и динамику клеточных функций, а также функции организма, а не свойства отдельных частей клетки или организма.
  • Системная биология пытается количественно предсказать поведение биологического процесса, который подвергся нарушениям, так что этот количественный метод основывает свою силу на явном включении компонентов, участвующих в процессе, их взаимодействиях и реалистичных значениях их концентраций. локации и состояния.
  • Дисциплина на стыке биологии , математики и физики, сочетающая экспериментальный и вычислительный подходы к пониманию биологических процессов в клетках, тканях и организмах.
  • Системная биология направлена ​​на достижение всестороннего количественного понимания динамических взаимодействий между строительными блоками и компонентами биологической системы, чтобы понять поведение системы в целом и сделать прогнозы. Для достижения этой цели к биологическим системам применяются математические концепции. Здесь центральное значение имеет интерактивный процесс между лабораторным экспериментом и компьютерным моделированием.

история

  • Концепция интегративных исследований биологических систем не нова. Биологическая подобласть, в которой системный анализ проводится в течение нескольких десятилетий, - это экология . Знаменитое уравнение Лотки-Вольтерра 1931 года уже можно рассматривать как системный подход.
  • Британские нейрофизиологи и лауреаты Нобелевской премии Алан Ллойд Ходжкин и Эндрю Филдинг Хаксли считаются пионерами в системной биологии, заложившими основы математического моделирования жизненных процессов на основе дифференциальных уравнений с математической моделью нервной клетки в 1952 году .
Эндрю Хаксли, июль 2005 г.
  • В 1960 году Денис Ноубл произвел сенсацию публикацией своей докторской диссертации в журнале Nature ; В нем он представил первую математическую модель бьющегося сердца, с помощью которой новые лекарства и устройства дефибрилляции могут быть испытаны на компьютере.
  • Термин системная биология используется с 1960-х годов; первоначально в связи с динамическими взаимодействиями, математическим моделированием и симуляцией биологических сигнальных путей.
  • Прорыв в системной биологии произошел на рубеже тысячелетий с разработкой высокопроизводительных технологий для измерения экспрессии генов, экспрессии белков и белок-белкового взаимодействия на молекулярном уровне, а также с завершением проекта генома человека и множества других проектов генома. Поток данных, полученных таким образом для примерно трех миллиардов пар оснований и более одного миллиона белков на клетку, делает невозможным выполнение всех теоретически мыслимых и интересных экспериментов в лаборатории. Поэтому моделирование на компьютере стало обязательным условием выбора наиболее перспективных подходов.

Широкое использование Интернета было основным условием прорыва в системной биологии, поскольку только тогда стало возможным совместное использование огромных объемов данных в рамках международного сотрудничества.

Текущее состояние науки можно найти в специализированных журналах, таких как Molecular Systems Biology, а также на многочисленных международных конгрессах, таких как Б. преследовать ICSB.

Методические подходы

Схематическое изображение системно-биологического подхода

Подход системной биологии включает повторяющиеся циклы экспериментов и моделирование на основе гипотез :

  1. Полная характеристика основных компонентов организма , таких как его молекулы и их взаимодействие, а также то, как эти взаимодействия регулируют функцию клетки.
  2. Анализ реакций организма на такие нарушения, как делеция или сверхэкспрессия генов, изменение условий роста или стимуляция гормонами .
  3. Временная и пространственная характеристика клеток , например Б. их компартментализация , везикулярный транспорт и динамика различных компонентов.
  4. Полученная информация затем переводится в математические модели, чтобы проверить полученные знания и сформулировать гипотезы и, при необходимости, улучшить модель на основе экспериментально полученных знаний.

Используя эти математические модели, можно предсказать поведение системы в определенных условиях и, в конечном итоге, разработать новые стратегии для управления клетками и управления ими, что в конечном итоге может привести к разработке новых лекарств.

В основном различают

  1. Нисходящий подход: В научных отраслях в « omics » , такие как геномика , протеомика , toponomics , транскриптомика , метаболомика , glycomics , interactomics , intergenomics и fluxomics , сверху вниз подход доказал, что основной метод выбора. Подход "сверху вниз" начинается с " высоты птичьего полета ", т. Е. Другими словами, экспериментальные данные сначала генерируются и собираются с использованием высокопроизводительных методов, а затем делается попытка обнаружить и охарактеризовать биологические механизмы в этих данных. Основная цель нисходящего подхода - открытие новых молекулярных механизмов путем анализа экспериментальных данных и формулирования гипотез, которые, в свою очередь, проверяются экспериментами.
  2. Восходящий подход: Подход снизу вверх определяет свойства уже охарактеризованной подсистемы путем описания взаимодействий каждого компонента. Затем эти математические модели используются для прогнозирования поведения каждой системы. Целью этого второго подхода является объединение различных метаболических путей в модель всей системы с конечной целью синтетической биологии . Подходы снизу вверх требуют:
    1. Подробная информация о кинетических и физико-химических свойствах отдельных задействованных компонентов.
    2. Подробные данные о реакции системы на внешние раздражители.
    3. Подробные компьютерные модели для проверки гипотез, улучшения модели и составления прогнозов.
    4. Разработка инструментов для представления и анализа созданных моделей.
Эта статья или следующий раздел не обеспечены должным образом подтверждающими документами ( например, индивидуальными доказательствами ). Информация без достаточных доказательств может быть вскоре удалена. Пожалуйста, помогите Википедии, исследуя информацию и добавляя убедительные доказательства.

Философия науки в настоящее время обсуждает, в какой степени философия физики может быть перенесена на философию системной биологии. Очевидно, что область исследований системной биологии - это расширение классической молекулярной биологии с помощью математических методов. Поскольку математическое моделирование играет столь же важную роль в системной биологии, как и в физике, изначально предполагалось, что эпистемология, на которой основана физика, может быть перенесена в системную биологию. Однако в системной биологии отсутствуют универсальные теории, такие как общая теория относительности или основные уравнения электродинамики Максвелла. Поэтому кажется необходимым разработать свою собственную философию системной биологии.

Математика и моделирование

Оба подхода основаны на дифференциальных уравнениях, которые описывают изменение биологических явлений в определенный момент времени . Итак, з. Б. мембранный потенциал нервной клетки по модели Ходжкина-Хаксли и др. как функция ионных токов калия и натрия :

.

Примеры системной биологии

  • Принципы бактериальных сигнальных сетей :

Биохимические сети в клетках должны надежно функционировать в хаотической среде с несовершенными компонентами. В 2005 году Маркус Коллман и его коллеги смогли показать с помощью комбинации экспериментов и компьютерного моделирования, что Escherichia coli имеет самую маленькую и достаточно надежную хемотаксическую систему, которая обеспечивает точный хемотаксический ответ организма при минимальных затратах для организма.

Ученые издавна увлекались равномерным распределением волосяных фолликулов. Используя модель реакционной диффузии , Сик и его коллеги смогли показать, что белок WNK и его ингибитор DKK могут увеличивать плотность волосяных фолликулов и что другие пути передачи сигнала также участвуют в структуре распределения волосяных фолликулов.

Путь передачи сигналов JAK-STAT участвует во многих путях, лежащих на рецепторах клеточной поверхности, таких как. B. тот, который был задействован для Epo . Используя математическое моделирование сигнального пути JAK-STAT , Swameye I. и его коллеги смогли показать, что белок STAT5 , который не был напрямую доступен для экспериментальных измерений, периодически транспортируется из ядра клетки в цитоплазму и обратно. Тот факт, что две изоформы STAT5A и STAT5B случайным образом образуют гомо- и гетеродимеры в ходе активации STAT5 и что они имеют разное время удерживания в ядре клетки после их транслокации, позже также может быть продемонстрирован в подходе системной биологии с использованием математического моделирования. Бем М.Э. и его коллеги.

Финансирование проектов

Национальный

Системная биология и разработка ее методов устойчиво финансируются ЕС в рамках 6-й и 7-й рамочной программы. Федеральное министерство образования и научных исследований (BMBF) оказывает содействие системной биологии с 2004 года в рамках научно- исследовательского проекта HepatoSys (Competence Network Systems Biology гепатоцитов).

С января 2007 года BMBF продвигает немецкую системную биологию с помощью программы финансирования «Биотехнология - использование и формирование возможностей» FORSYS (Исследовательские подразделения системной биологии FORSYS) с четырьмя центрами системной биологии. Четыре центра FORSYS расположены во Фрайбурге-им-Брайсгау (FRISYS - Фрайбургская инициатива по системной биологии, пресс-секретарь: Вольфганг Р. Гесс ), Гейдельберге (VIROQUANT - Системная биология вирусно-клеточных взаимодействий), Потсдаме (GoFORSYS) и Магдебурге (в сотрудничестве с Макса Планка институт динамики сложных технических систем ). FORSYS разработан как «маяк немецкой системной биологии» и расширяется за счет программы «Партнер исследовательских подразделений системной биологии - партнер FORSYS». Еще одна крупная сеть исследовательских проектов финансируется Ассоциацией Гельмгольца с 2007 года . «Альянс системной биологии Гельмгольца» в первую очередь занимается исследованием причин сложных заболеваний. В нем участвуют Центры Гельмгольца DKFZ , FZJ , HZI , GSF , MDC и UFZ . Помимо ученых из Ассоциации Гельмгольца, финансируется большое количество внешних партнеров по сотрудничеству.

Транснациональный

SysMO («Системная биология микроорганизмов» или «Системная биология микроорганизмов») - это транснациональная инициатива по финансированию исследований, которая осуществляется совместно Федеральным министерством образования и исследований и Федеральным министерством образования, науки и культуры в Австрии , Нидерланды. Организация научных исследований, Научный совет Норвегии , Министерство образования и науки Испании и Научный совет по биотехнологии и биологическим исследованиям Великобритании . Целью SysMO является установление системной биологии одноклеточных микроорганизмов. Группы из Австрии 2, Германии 29, Норвегии 7, Испании 9, Нидерландов 15, Великобритании 22, Чехии 1, Франции 2 и Швейцарии 4 являются частью инициативы SysMO.

критика

Нобелевский лауреат и биолог Сидней Бреннер охарактеризовал эту область в своей статье как «низкие затраты, высокая производительность, отсутствие научных результатов».

Смотри тоже

литература

Немецкий

  • Вольфганг Вихерт: Системная биология - междисциплинарный вызов. Шенинг, Падерборн 2004, ISBN 3-506-72876-8 .
  • Андреас Кремлинг: Сборник системной биологии - математическое моделирование и анализ моделей. Vieweg + Teubner, 2011, ISBN 978-3-8348-1907-9 .
  • Детлеф Вайних: Системная биология - динамика и взаимосвязи как предмет исследования. Корни и значение сетевого мышления в новейшем понимании науки. В: Отчеты истории болезни Вюрцбурга. 21, 2002, стр. 473-489.

английский

веб ссылки

Commons : Systems Biology  - коллекция изображений, видео и аудио файлов.

Индивидуальные доказательства

  1. ^ Стефан Шустер , Роланд Эйлс, Клаус Шутка: 5-я Международная конференция по системной биологии (ICSB 2004), Гейдельберг, 9-13 октября 2004 г. В: Biosystems. Том 83, № 2-3, февраль-март 2006 г., стр. 71-74.
  2. ↑ Т. Идекер, Т. Галицки, Л. Худ: Новый подход к расшифровке жизни: Системная биология. В: Анну. Rev. Genomics Hum. Genet. 2. С. 343.
  3. ↑ Х. Китано: Вычислительная системная биология. В кн . : Природа. 420, 2002, с. 206.
  4. ↑ Дж. Андерсон: Национальный институт общих медицинских наук при NIH. 2003 г.
  5. ↑ Т. Идекер, Л. Р. Уинслоу, Д. А. Лауффенбургер: Биоинженерия и системная биология. В: Ann Biomed Eng. 34 (2), февраль 2006 г., стр. 257-264.
  6. ^ Национальный институт общих медицинских наук в NIH: Национальные центры системной биологии . 2007 г.
  7. ^ В. Вольтерра: Leçon sur la théorie mathématique de la lutte pour la vie. Готье-Виллар, Париж, 1931 г.
  8. ^ Норберт Винер: Кибернетика или контроль и коммуникация в животном и машине. MIT Press, Кембридж, Массачусетс, 1961.
  9. ↑ А.Л. Ходжкин, А.Ф. Хаксли: Количественное описание мембранного тока и его применение к проводимости и возбуждению в нерве. В: J. Physiol . 117, 1952, стр. 500-544. PMID 12991237 .
  10. ^ Д. Ноубл: сердечная деятельность и потенциалы кардиостимулятора, основанные на уравнениях Ходжкина-Хаксли . В кн . : Природа . 188, 1960, стр. 495-497.
  11. ^ О. Волькенхауэр, У. Клингмюллер: Системная биология: от модного слова к подходу наук о жизни. В: БИОфорум Европа. 04/2004, Git Verlag, Дармштадт, стр. 22-23.
  12. ↑ Ж. Моно: Le Hasard et la needitté. Сеуил, Париж, 1970 год.
  13. ^ FJ Bruggemann, HV Westerhoff: Природа системной биологии. В кн . : Тенденции микробиологии. Том 15, вып. 1.
  14. ↑ М. Коллманн, К. Бартоломе, Л. Ловдок, Дж. Тиммер, В. Сурджик: Принципы построения бактериальной сигнальной сети. В кн . : Природа. 438, 2005, стр. 504-507.
  15. ^ S. Sick, S. Reinker, J. Timmer, T. Schlake: WNT и DKK определяют расстояние между волосяными фолликулами посредством механизма реакции-диффузии. В кн . : Наука . 314, 2006, стр. 1447-1450.
  16. ↑ I. Swameye, TG Müller, J. Timmer, O. Sandra, U. Klingmüller: Идентификация нуклеоцитоплазматического цикла как удаленного датчика в клеточной передаче сигналов путем моделирования на основе данных. В: Proc. Natl. Акад. Sci. 100, 2003, стр. 1028-1033.
  17. ^ ME Böhm, L. Adlung, M. Schilling, S. Roth, U. Klingmüller, WD Lehmann: Идентификация изоформ-специфической динамики в зависимой от фосфорилирования димеризации STAT5 с помощью количественной масс-спектрометрии и математического моделирования. В: J. Proteome Res. 13, 2014, стр. 5685-5569. PMID 25333863
  18. ↑ Уведомление BMBF
  19. ↑ Эррол К. Фридберг: Сидней Бреннер. В: Nature Reviews Molecular Cell Biology . 9, 2008, стр. 8-9, DOI: 10.1038 / nrm2320 .