Systembiologi er en tværfaglig videnskabelig retning dannet i skæringspunktet mellem biologi og kompleks systemteori , fokuseret på studiet af komplekse interaktioner i levende systemer. Udtrykket blev første gang brugt i en artikel fra 1993 af W. Zieglgänsberger og TR. Tölle [1] . Udtrykket "systembiologi" blev udbredt efter 2000 .
Danner en ny tilgang til fortolkning af resultater i det 21. århundredes biologi i stedet for reduktionisme , traditionel for biologi fra de sidste århundreder, og en sådan ny tilgang omtales i øjeblikket som holisme og integrationisme eng. integrationisme ) [2] . Hovedopmærksomheden i systembiologi er rettet mod de såkaldte emergente egenskaber , det vil sige egenskaberne af biologiske systemer, der ikke kun kan forklares ud fra egenskaberne af dets komponenter.
Forståelse ( engelsk indsigt ) af biologi på systemniveau gør det muligt mere korrekt at forstå strukturen, dynamikken og funktionerne af både en enkelt celle og organismen som helhed, end når man betragter separate dele af en celle eller organisme [2] [3 ] .
Systembiologi er tæt forbundet med matematisk biologi .
Systembiologi kan forstås som:
Forskellen i forståelse af systembiologi forklares ved, at dette begreb refererer mere til et sæt af krydsende begreber end til en strengt defineret retning. På trods af forskellen i forståelsen af systembiologiens mål og metoder, er udtrykket meget brugt af forskere, herunder som en del af navnene på videnskabelige afdelinger og hele institutter rundt om i verden.
Forudsætningerne for fremkomsten af systembiologi er:
Systembiologiens pioner kan betragtes som Ludwig von Bertalanffy , skaberen af generel systemteori , forfatteren til bogen "General Systems Theory in Physics and Biology", udgivet i 1950 . En af de første numeriske modeller inden for biologi er modellen udgivet i 1952 af de britiske neurofysiologer og nobelpristagere Hodgkin og Huxley . Forfatterne skabte en matematisk model, der forklarer udbredelsen af aktionspotentialet langs neurons axon [7] . Deres model beskrev den potentielle udbredelsesmekanisme som en vekselvirkning mellem to forskellige molekylære komponenter: kanaler for kalium og natrium, som kan betragtes som begyndelsen på beregningssystembiologien [8] . I 1960, baseret på modellen af Hodgkin og Huxley, skabte Denis Noble den første computermodel af pacemakeren [9] .
Formelt blev det første arbejde om systembiologi som selvstændig disciplin præsenteret af systemteoretikeren Mikhailo Mesarovic i 1966 ved et internationalt symposium på Institute of Technology i Cleveland (USA, Ohio) under titlen "Systems Theory and Biology". [10] [11]
I 60'erne og 70'erne af det tyvende århundrede blev en række tilgange udviklet til at studere komplekse molekylære systemer, såsom metabolisk kontrolteori og biokemisk systemteori . Molekylærbiologiens succeser i 80'erne , med en vis nedgang i interessen for teoretisk biologi generelt, som lovede mere, end den kunne opnå, førte til et fald i interessen for modellering af biologiske systemer.
Men fødslen af funktionel genomik i 1990'erne førte til tilgængeligheden af en stor mængde data af høj kvalitet, som sammen med boomet i computerteknologi gjorde det muligt at skabe mere realistiske modeller. I 1997 udgav Masaru Tomitas gruppe den første numeriske model for hel (hypotetisk) cellemetabolisme. Udtrykket "systembiologi" kan også findes i en artikel fra 1993 af W. Sieglgansberg og T. Tolle . I løbet af 1990'erne skabte B. Zeng en række begreber, modeller og termer: systemmedicin (april 1992 ), system bioengineering (juni 1994 ) og systemgenetik (november 1994).
I løbet af 2000'erne , da Systems Biology Institutes blev etableret i Seattle og Tokyo, kom System Biology til sin ret, idet de var involveret i forskellige genomiske projekter, behandlede og fortolkede data fra "-omics" (proteomics, metabolomics), og hjalp med at fortolke andre høje -gennemstrømningseksperimenter, herunder bioinformatik . Fra sommeren 2006 er der på grund af mangel på systembiologer [12] etableret adskillige træningscentre rundt om i verden.
En vigtig milepæl i udviklingen af systembiologi var det internationale projekt Physiom .
For at verificere de modeller, der skabes, arbejder systembiologi med en række forskellige typer eksperimentelle data, der beskriver både individuelle komponenter og systemet som helhed. Ofte, som indledende information til at formulere hypoteser og konklusioner, bruges data opnået inden for andre områder af biologi: biokemi , biofysik , molekylærbiologi . Der er dog en række specifikke metoder stærkt forbundet med systembiologi. Disse metoder karakteriserer et stort antal eksperimentelle målinger, såvel som den samtidige påvisning af mange karakteristika, som blev mulig med fremkomsten af automatiserede streaming eksperimentelle teknikker.
Eksempler på sådanne metoder kan være:
Ud over de præsenterede metoder til måling af niveauet af molekyler er der også mere komplekse metoder, der giver dig mulighed for at måle dynamikken i karakteristika over tid og interaktionen mellem komponenter:
Mange af de anførte metoder udvikles i øjeblikket aktivt både i retning af at øge nøjagtigheden og informationsindholdet i målinger og i metoder til numerisk behandling af de opnåede data.
Forskning inden for systembiologi består oftest i udviklingen af en mekanistisk model af et komplekst biologisk system, det vil sige en model konstrueret på basis af kvantitative data om de elementære processer, der udgør systemet [13] [14] .
Den metaboliske eller signalvej kan beskrives matematisk baseret på teorierne om enzymatisk eller kemisk kinetik . Matematiske metoder for ikke-lineær dynamik , teorien om tilfældige processer eller kontrolteori kan bruges til at analysere de opnåede systemer .
På grund af kompleksiteten af studieobjektet, et stort antal parametre, variabler og ligninger, der beskriver et biologisk system, er moderne systembiologi utænkelig uden brug af computerteknologi. Computere bruges til at løse systemer af ikke-lineære ligninger, studere stabiliteten og følsomheden af systemet, bestemme ukendte parametre for ligninger fra eksperimentelle data. Nye computerteknologier har en væsentlig indflydelse på udviklingen af systembiologi. Især brugen af proceskalkulus , automatiske midler til informationssøgning i publikationer, datalingvistik , udvikling og udfyldning af offentlige databaser .
Inden for rammerne af systembiologi arbejdes der på at skabe vores egne softwareværktøjer til modellering og universelle sprog til lagring og annotering af modeller. Eksempler omfatter SBML , CellML ( XML -udvidelser til at skrive modeller) samt SBGN (sprog til grafisk repræsentation af strukturen af interaktioner mellem elementer i biologiske systemer).
![]() | |
---|---|
I bibliografiske kataloger |
|