matematika + biologija
=
sistemska biologija?
Prof. Dr. Kristina Gruden
Prof. Dr. Aleš Belič
Doc. DDr. Jure Ačimovič
Kaj je sistemska biologija?
> Razumevanje delovanja organizmov
sistemska biologija = fiziologija ?
> celostno razumevanje iz osnov delovanja
molekularnih mehanizmov
Molekularna biologija
Sistemska biologija
Sistemska biologija - potrebujemo:
1. Poznavanje vseh komponent celice:
Človek:
DNA: 30.000 genov
RNA: 100.000 transkriptov
Proteini: 300.000, encimi,…
Metaboliti: maščobe, sladkorji,
holesterol
Sistemska biologija - potrebujemo:
2. Poznavanje vseh povezav med
komponentami:
Sistemska biologija - potrebujemo:
2. Poznavanje dinamike povezav
Encimska reakcija:
Encimska reakcija:
Encimska reakcija:
Encimska reakcija:
Encimska reakcija:
Encimska reakcija:
Encimska reakcija: Objekti modela
Encimska reakcija: Parametri modela
Matematičen opis modela
Standarden biološki pristop
Ali biolog zna popravit radio?
Odločilna komponenta?
Lazebnik Y. (2002). Can a biologist fix a radio?—Or, what I learned while studying apoptosis, Cancer Cell, 2 (3) 179-182.
Inženirski pristop
Ali biolog zna popravit radio?
Lazebnik Y. (2002). Can a biologist fix a radio?—Or, what I learned while studying apoptosis, Cancer Cell, 2 (3) 179-182.
Visoko zmogljive molekularne tehnike:
Genska aktivnost
Genomi
Povezovanje med proteini
Pretvorbe
metabolitov
Visoko zmogljive molekularne tehnike:
bioloških
sistemov?
>Ogromne količine podatkov: Bigdata!
Poskus 14 dni: 6 milijonov podatkov
Mandadi & Scholthof, PlantCell 2013
Osnovnim pogojem za sistemsko biologijo zadoščeno:
1. Poznavanje vseh komponent: merjenje količin
2. Poznavanje njihovih povezav
3. Poznavanje dinamike
povezav
Razumevanje
Sistemska biologija
Integracija:
- Molekularne biologije – omike
- Fiziologije
- Matematike
- Računalništva
- Inžinirstva
Kako naj se torej lotimo popravila radia?
... počasi in s premislekom
Najprej potrebujemo jasen koncept, kako stvar deluje ...
Koncepti sistemske biologije
... ali kako obdržati sistemski pregled pri visoki kompleksnosti
Najprej moramo definirati cilj raziskave!
Glede na cilj je potrebno definirati meje sistema
Za tako definiran sistem lahko postavimo
matematični model
Matematični model čim bolj poenostavimo
Na osnovi simulacije modela izvemo nekaj
novega o delovanju sistema
Ravnovesje kot osnova modela
X=
masa
energija
moment
entropija
elementi
naboji
iztok veličine X
pritok veličine X
SISTEM
območje ravnovesja
Različna ravnovesja
dinamično ravnovesje
ravnovesje v ustaljenem stanju
Model nikoli ne opisuje vsega!
Model metabolizma holesterola
Vprašanje: Kakšen je vpliv blokade cyp51?
Model metabolizma holesterola
... izvedba in poenostavitve
Pomen strukture modela
Struktura modela (topologija omrežja reakcij) je
velikokrat bolj pomembna od vrednosti
parametrov!
Prvi model celega organizma
Mycoplasma genitalium –
urogenitalni parazit, le 525 genov
Virtualni človek
Sistemska Biologija v Evropi
Sistemska Biologija v Evropi
Sistemska Biologija v Evropi
UK
̴ 1 mili. €
9
NL
̴ 3 mili. €
4
D
̴ 35 mili. €
4
Izobraževanje Sistemske biologije (SB)
• Nemčija
•
•
•
•
Nemško zvezno ministrstvo za izobraževanje in
raziskave (BMBF)
2006 BMBF razpis za "FORSYS - raziskovalne
enote za sistemsko biologijo “ (45 mili. €)
Razvoj SB: univerze, raziskovalne ustanove,
podjetja
Novi izobraževalni programi SB na dodiplomskem
in podiplomskem nivoju
Izobraževanje Sistemske biologije (SB)
• Velika Britanija
•
Tri agencije:
•
•
•
•
•
•
Biotechnology and Biological Research Council
(BBSRC),
Medical Research Council (MRC),
Engineering and Physical Sciences Research
Council (EPSRC))
Tečaj SysMIC
University College London, Open University,
Birkbeck College in University of Edinburgh
Podprt s strani BBSRC
SysMIC
• Namenjen je raziskovalcem vseh ravni: od
diplomantov, ki šele začenjajo s svojo kariero, do
že uveljavljenih raziskovalcev, ki želijo izboljšati
svoje znanje.
• Tečaj zajema potrebne osnove matematike in ne
zahteva predznanja s področja računalniškega
modeliranja.
• in je brezplačen za raziskovalce, ki jih financira
BBSRC
• 5 letni projekt, v 2 letih že dosegli cilj 2000
udeležencev