matematika + biologija

=

sistemska biologija?

Prof. Dr. Kristina Gruden

Prof. Dr. Aleš Belič

Doc. DDr. Jure Ačimovič

Kaj je sistemska biologija?

> Razumevanje delovanja organizmov

> celostno razumevanje iz osnov delovanja

molekularnih mehanizmov

sistemska biologija = fiziologija ?

Molekularna biologija

Sistemska biologija

1. Poznavanje vseh komponent celice:

Sistemska biologija - potrebujemo:

Človek:

DNA: 30.000 genov

RNA: 100.000 transkriptov

Proteini: 300.000, encimi,…

Metaboliti: maščobe, sladkorji, holesterol

2. Poznavanje vseh povezav med

komponentami:

Sistemska biologija - potrebujemo:

2. Poznavanje dinamike povezav

Sistemska biologija - potrebujemo:

Encimska reakcija:

Encimska reakcija:

Encimska reakcija:

Encimska reakcija:

Encimska reakcija:

Encimska reakcija:

Encimska reakcija: Objekti modela

Encimska reakcija: Parametri modela

Matematičen opis modela

Ali biolog zna popravit radio?

Standarden biološki pristop

Lazebnik Y. (2002). Can a biologist fix a radio?—Or, what I learned while studying apoptosis, Cancer Cell, 2 (3) 179-182.

Odločilna komponenta?

Ali biolog zna popravit radio?

Inženirski pristop

Lazebnik Y. (2002). Can a biologist fix a radio?—Or, what I learned while studying apoptosis, Cancer Cell, 2 (3) 179-182.

Genska aktivnost Genomi

Povezovanje med proteini

Pretvorbe

metabolitov

Visoko zmogljive molekularne tehnike:

Osnovnim pogojem za sistemsko biologijo zadoščeno:

1. Poznavanje vseh komponent: merjenje količin

2. Poznavanje njihovih povezav

3. Poznavanje dinamike povezav

>Ogromne količine podatkov: Bigdata!

Poskus 14 dni: 6 milijonov podatkov

Visoko zmogljive molekularne tehnike:

Man

dad

i & Sch

olth

of, P

lantC

ell 20

13

Razumevanje bioloških sistemov?

Integracija:

- Molekularne biologije – omike

- Fiziologije

- Matematike

- Računalništva

- Inžinirstva

Sistemska biologija

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

SISTEM

pritok veličine X iztok veličine X

območje ravnovesja

X =

masa energija moment entropija elementi naboji

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 ̴91 mili. €

NL ̴43 mili. €

D ̴435 mili. €

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

• 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

Izobraževanje Sistemske biologije (SB)

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