Систе́мная биоло́гия — междисциплинарное научное направление, образовавшееся на стыке биологии и теории сложных систем , ориентированное на изучение сложных взаимодействий в живых системах. Впервые термин используется в статье 1993 года авторов W. Zieglgänsberger и TR. Tölle . Широкое распространение термин «системная биология» получил после 2000 года .

Формирует новый подход к интерпретации результатов в биологии 21-го века вместо традиционного для биологии прошлых столетий редукционизма , и такой новый подход в настоящее время обозначают терминами холизм ^{[ источник не указан 2787 дней ]} и англ. integrationism ) . Основное внимание в системной биологии уделяется так называемым эмерджентным свойствам , то есть свойствам биологических систем, которые невозможно объяснить только с точки зрения свойств её компонентов.

Понимание ( англ. insight ) биологии на системном уровне даёт возможность для более верного осмысления структуры, динамики и функций как отдельной клетки, так и организма в целом, чем при рассмотрении по-отдельности частей клетки или организма .

Системная биология тесно связана с математической биологией .

Значения

Системная биология может пониматься как:

• Область исследований , нацеленная на изучение взаимодействий между составляющими частями биологических систем и на исследование механизмов формирования функций и системных свойств в результате этих взаимодействий (например, взаимодействие метаболитов и ферментов в метаболических системах).
• Научная парадигма , противопоставляемая так называемой редукционистской парадигме в изучении сложных биологических систем, однако полностью соответствующая научному методу познания .
• Набор исследовательских протоколов , а именно, цикл исследований, состоящий из теории, аналитического или компьютерного моделирования для формулировки гипотез о системе, экспериментальной проверки, и затем использование полученных данных для описания клетки или клеточных процессов для улучшения компьютерной модели или теории . Поскольку целью является модель взаимодействий в сложной системе, экспериментальные методики, которые используются в системной биологии должны быть наиболее детальными. По этой причине для верификации моделей используются такие методики как транскриптомика , метаболомика , протеомика и другие высокопроизводительные технологии для сбора численных данных.
• Применение теории динамических систем к биологическим процессам.
• Соционаучный феномен , определяемый как стремление к интеграции сложных данных о взаимодействиях в биологических системах, полученных из различных экспериментальных источников, используя междисциплинарные методы.

Различие в понимании системной биологии объясняется тем фактом, что данное понятие относится скорее к совокупности пересекающихся концепций, чем к одному строго определенному направлению. Несмотря на различие в понимании целей и методов системной биологии, термин широко используется исследователями, в том числе как часть названий научных подразделений и целых институтов по всему миру.

История

Предпосылками появления системной биологии являются:

• Количественное моделирование ферментативной кинетики — направление, формировавшееся между 1900 и 1970 годами ,
• Математическое моделирование роста популяций,
• Моделирование в нейрофизиологии ,
• Теория динамических систем и кибернетика .
• Синергетика

Пионером системной биологии можно считать Людвига Фон Берталанфи , создателя общей теории систем , автора книги «Общая теория систем в физике и биологии», опубликованной в 1950 году . Одной из первых численных моделей в биологии является модель британских нейрофизиологов и лауреатов нобелевской премии Ходжкина и Хаксли , опубликованной в 1952 году . Авторы создали математическую модель, объясняющую распространение потенциала действия вдоль аксона нейрона . Их модель описывала механизм распространения потенциала как взаимодействие между двумя различными молекулярными компонентами: каналами для калия и натрия, что можно расценить как начало вычислительной системной биологии . В 1960 году на основе модели Ходжкина и Хаксли Денис Нобл создал первую компьютерную модель сердечного водителя ритма .

Формально первая работа по системной биологии, как самостоятельной дисциплине, была представлена системным теоретиком Михайло Месаровичем в 1966 году на международном симпозиуме в Институте технологии в Кливленде (США, штат Огайо) под названием «Системная теория и биология».

В 60-х , 70-х годах двадцатого века был разработан ряд подходов для изучения сложных молекулярных систем, таких как и . Успехи молекулярной биологии в 80-х годах при некотором спаде интереса к теоретической биологии вообще, которая обещала больше, чем смогла достичь, привели к падению интереса к моделированию биологических систем.

Тем не менее, рождение функциональной геномики в 1990-х годах привело к доступности большого количества данных высокого качества, что совместно с бумом в развитии вычислительной техники, позволило создавать более реалистичные модели. В 1997 году группа опубликовала первую численную модель метаболизма целой (гипотетической) клетки. Термин «системная биология» может быть также найден в статье В. Зиглгансберга и Т. Толле, опубликованной в 1993 году . В течение 1990-х годов Б. Зенг создал ряд концепций, моделей и терминов: системная медицина (апрель 1992 ), системная биоинженерия (июнь 1994 ) и системная генетика (ноябрь 1994).

В течение 2000-х годов, когда создавались институты системной биологии в Сиэтле и Токио, системная биология вступила в полные права, будучи вовлеченной в различные геномные проекты, обрабатывая и интерпретируя данные из «-омик» (протеомика, метаболомика), помогая в интерпретации прочих высокопроизводительных экспериментов, включая биоинформатику . По состоянию на лето 2006 года в связи с нехваткой системных биологов было создано несколько учебных центров по всему миру.

Важной вехой в становлении системной биологии стал международный проект Физиом .

Экспериментальные методы системной биологии

Для верификации создаваемых моделей системная биология работает с самыми различными типами экспериментальных данных, описывающих как отдельные составляющие, так и систему в целом. Зачастую в качестве исходной информации для формулировки гипотез и выводов используются данные, полученные в других областях биологии: биохимии , биофизики , молекулярной биологии . Тем не менее, существует ряд специфичных методов, прочно ассоциируемых с системной биологией. Эти методы характеризует большое количество экспериментальных измерений, а также одновременное детектирование многих характеристик, что стало возможным с появлением автоматизированных потоковых методик экспериментов.

Примерами таких методов могут являться:

• Геномика : высокопроизводительные методы секвенирования ДНК , включая изучение в различных клетках одного организма.
• Эпигеномика / Эпигенетика : изучение факторов транскрипции , не кодируемых в ДНК ( метилирование ДНК , и т. д.).
• Транскриптомика : измерение экспрессии генов, используя ДНК-микрочипы и другие методы.
• : измерение взаимодействия транскрибируемых РНК.
• Протеомика / : измерение уровня белков или пептидов с использованием двумерного гель-электрофореза , масс-спектрометрии или многомерных методик измерения белков.
• Метаболомика : измерение концентраций так называемых малых молекул, метаболитов .
• Гликомика : измерение уровня углеводов .
• : измерение уровня липидов .

Кроме представленных методов измерения уровня молекул, существуют также более сложные методы, позволяющие измерять динамику характеристик во времени и взаимодействие между компонентами:

• Интерактомика : измерение взаимодействий между молекулами (например, измерение белок-белковых взаимодействий: PPI).
• : измерение динамики потоков и концентраций во времени (как правило метаболитов).
• : системный анализ биома

Многие перечисленные методики в настоящее время все ещё активно развиваются как в направлении увеличения точности и информативности измерений, так и в способах численной обработки получаемых данных.

Инструменты системной биологии

Исследования в области системной биологии чаще всего заключаются в разработке механистической модели сложной биологической системы, то есть модели, сконструированной на основе количественных данных об элементарных процессах, составляющих систему .

Метаболический или сигнальный путь может быть описан математически на основе теорий ферментативной или химической кинетики . Для анализа полученных систем могут применяться математические методы нелинейной динамики , теории случайных процессов , либо использоваться теория управления .

Из за сложности объекта изучения, большого количества параметров, переменных и уравнений, описывающих биологическую систему, современная системная биология немыслима без использования компьютерных технологий. Компьютеры используются для решения систем нелинейных уравнений, изучения устойчивости и чувствительности системы, определения неизвестных параметров уравнений по экспериментальным данным. Новые компьютерные технологии оказывают существенное влияние на развитие системной биологии. В частности, использование исчисления процессов , автоматических средств поиска информации в публикациях, вычислительная лингвистика , разработка и наполнение общедоступных баз данных .

В рамках системной биологии ведётся работа над созданием собственных программных средств для моделирования и универсальных языков для хранения и аннотации моделей. В качестве примера можно привести , (расширения XML для записи моделей), а также SBGN (язык графического представления структуры взаимодействий элементов биологических систем).

См. также

Смежные области

Примечания