Tema 1. Introducció (2014)

Apunte Catalán
Universidad Universidad Autónoma de Barcelona (UAB)
Grado Genética - 3º curso
Asignatura Biologia de sistemes
Año del apunte 2014
Páginas 3
Fecha de subida 15/03/2016
Descargas 3
Subido por

Vista previa del texto

BS- Tema 1 mfiguls TEMA 1: INTRODUCCIÓ Què és la biologia de sistemes? A continuació s’inclouen algunes definicions del què diuen la gent del què és la biologia de sistemes: “Systems biology is a new field in biology that aims at system level understanding of biological systems” (Kitano, 2001) “Systems biology is an interdisciplinary approach for integrating experimental data with mathematical modeling tools to analyze & predict the behavior of biological systems.” (Henson, 2005) “Systems Biology: The science that discovers the principles underlying the emergence of the functional properties of living organisms from interactions between macromolecules” (Westerhoff & Alberghina 2005) “Systems biology is the study of how new properties, that are functionally important to life, arise in interactions.... This means that one has to study the dynamics of biochemical systems in detail. Dynamics is a true systems property, and therefore, should be one of the foci in systems biology.” (Kummer & Olsen 2005) “Systems biology studies biological systems by systematically perturbing them (biologically, genetically or chemically) monitoring gene, protein and informational pathway responses, integrating this data and ultimately formulating mathematical models that describe the structure of the system and its response to individual perturbations”. (Ideker 2001) “Systems biology is an emerging field of biological research that aims at a system-level understanding of genetic and/or metabolic pathways by investigating interrelationships (organization or structure) and interactions (dynamics or behavior) of genes, proteins and metabolites” (Wolkenhauer 2001) “System sciences are integrative approaches in which scientists study and model pathways and networks, with an interplay between experiment and theory.” (Henry, 2003) Aspectes claus de consens • • • • • ‘System level understanding‘: Comprensió del comportament dels sistemes quan operen com un ‘tot‘ integrat.
‘Emergence of the functional properties’: l’estudi integrat és necessari perquè en la operació de sistemes integrats ‘emergeixen’ propietats noves que no es troben en els seus components individuals.
(Ex/ La consciència, és una cosa que apareix a través de la interacció entre neurones, però una neurona per si sola no té consciència. // La vida en sí és una propietat emergent).
‘Discover the principles underlying the emergence‘: En general es pretén trobar els principis que donen lloc a l’aparició d’aquestes propietats ‘emergents’ amb la intenció de predir-les, modificar-les o crear-ne de noves.
‘Investigating interrelationships (organization or structure) and interactions (dynamics or behavior) of genes, proteins and metabolites’: és necessari estudiar les interrelacions a diferents nivells i analitzar-ne tant la seva estructura com la seva dinàmica ‘Integrating experimental data and mathematical modelling’: és necessari combinar les dades experimentals amb la codificació dels sistemes en models matemàtics per poder estudiar i comprendre les seves propietats 1 BS- Tema 1 mfiguls La visió sistèmica en biologia en realitat no és nova: Al segle passat ja es parlava de la biologia de sistemes. Alguns científics són considerats com a precursors: • Norbert Wiener (Matemàtic): 1948, Autor de: Cybernetics: Or Control and Communication in the Animal and the Machine.
• Ludwig von Bertalanffy (Professor Biologia Teòrica)- 1967 Autor de: General System Theory. Foundations, Development, Applications “if someone were to analyze current notions and fashionable catchwords, he would find ‘systems’ high on the list. The concept has pervaded all fields of science and penetrated into popular thinking, jargon, and mass media “ (L. von Bertalanffy 1967) Tot i el seus orígens, la seva aplicació real al camp de la biologia va ser limitada. Va patir de manca suficient de dades i capacitat de càlcul.
Es va desenvolupar en molts camps, sobretot en el camp de l’enginyeria.
Actualment, la visió sistèmica en biologia és possible gràcies als avenços en les teories “òmiques” i les capacitats de càlcul dels ordinadors.
Però tenim massa informació que a vegades no sabem com integrar.
Una de les coses que necessitem saber és el flux que hi ha en el metabolisme, una de les maneres de fer-ho és marcant amb carboni 13.
Com que hi ha moltes dades, la informació recollida amb aquestes tecnologies és analitzada per cada grup de recerca però també s’emmagatzema en bases de dades especialitzades.
Per al seu estudi, la multitud de components, es poden agrupar en xarxes especialitzades en funcions concretes. Aquestes xarxes son interdependents formant en realitat un entramat de xarxes de xarxes que funcionen com a un tot sencer. Clàssicament, les xarxes serien de tres tipus: metabolisme, regulació i senyalització.
Això ho fem per facilitar l’estudi, però el sistema és el tot sencer.
Algunes característiques rellevants dels SISTEMES BIOLÒGICS: • • • Son sistemes oberts ->intercanvi constant amb l’entorn (dinàmics). Els organismes vius contínuament estant agafant i alliberant productes amb l’entorn, pel que són oberts.
Formats per xarxes de components que interactuen dinàmicament i en general de manera no lineal. Els sistemes no lineals, en general, són més complicats.
Les interaccions resultants determinen un comportament complex i propietats emergents.
2 BS- Tema 1 • • mfiguls El funcionament del sistema, en sí, és emergent, no hi ha un director que determini què ha de passar.
El genoma codifica la informació necessària però el sistema opera de forma autònoma i coordinada. El genoma no determina què passarà, sinó la interacció global, el sistema.
No hi ha ‘director d’orquestra’. El comportament final és el resultat de la dinàmica de les interaccions.
Dues propietats emergents: Robustesa i Sensibilitat • • Robustesa: capacitat de mantenir una determinada funció biològica en front a variacions (externes o internes) o pèrdua de l‘algun component. L‘evolució ha afavorit l‘establiment d‘estructures i/o mecanismes per mantenir la robustesa (elements redundants, sistemes de retroalimentació,...) à Un sistema robust en front uns canvis pot ser fràgil en front uns altres Sensibilitat: capacitat de respondre o adaptar-se a les condicions canviants à L‘evolució també ha afavorit l‘establiment de sistemes sensibles a canvis (pe. de concentració senyals... etc.). Aquests sistemes han de ser sensibles a unes variables però insensibles (robustes) en front a d‘altres. L‘acció de mecanismes sensibles pot afavorir l‘adaptació i fer l‘organisme més robust al canvi.
Algunes conseqüències: • • • Les funcions biològiques més rellevants rarament es poden atribuir a components aïllats Es insuficient conèixer la llista de components i les seves propietats individuals per explicar el comportament dels sistemes biològics L’estudi i millora de sistemes biològics necessita aplicar noves aproximacions de recerca i una visió ‘sistèmica’ Fases del procés de recerca tradicional i actual: • • La simulació és ”in silico”, i a continuació es compara l’obtingut amb el que s’esperava obtenir.
Per reconstruir les xarxes s’utilitzen models matemàtics.
3 ...