Modellering av biologiska system

Att modellera biologiska system är en viktig uppgift för systembiologi och matematisk biologi . Beräkningssystembiologi syftar till att utveckla och använda effektiva algoritmer , datastrukturer , visualiserings- och kommunikationsverktyg med målet att datormodellera biologiska system. Det involverar användningen av datorsimuleringar av biologiska system, inklusive cellulära subsystem (såsom nätverken av metaboliter och enzymer som omfattar metabolism , signaltransduktionsvägar och genreglerande nätverk ), för att både analysera och visualisera de komplexa sambanden mellan dessa cellulära processer.

En oväntad emergent egenskap hos ett komplext system kan vara ett resultat av samspelet mellan orsak och verkan mellan enklare, integrerade delar (se biologisk organisation ). Biologiska system visar många viktiga exempel på framväxande egenskaper i det komplexa samspelet mellan komponenter. Traditionella studier av biologiska system kräver reduktiva metoder där mängder av data samlas in per kategori, såsom koncentration över tid som svar på en viss stimulans. Datorer är avgörande för analys och modellering av dessa data. Målet är att skapa exakta realtidsmodeller av ett systems svar på miljömässiga och interna stimuli, såsom en modell av en cancercell för att hitta svagheter i dess signalvägar, eller modellering av jonkanalmutationer för att se effekter på kardiomyocyter och i sin tur funktionen av ett bankande hjärta.

Standarder

Det överlägset mest accepterade standardformatet för lagring och utbyte av modeller inom området är Systems Biology Markup Language (SBML). Webbplatsen SBML.org innehåller en guide till många viktiga programvarupaket som används inom beräkningssystembiologi. Ett stort antal modeller kodade i SBML kan hämtas från BioModels . Andra märkningsspråk med olika tyngdpunkter inkluderar BioPAX och CellML .

Särskilda uppgifter

Mobilmodell

Huvudartikel: Mobilmodell
En del av cellcykeln
Summerhayes och Eltons 1923 matnät av Bear Island ( pilar representerar en organism som konsumeras av en annan organism) .
Ett exempel på en tidsserie av Lotka–Volterra-modellen . Observera att de två populationerna uppvisar cykliskt beteende .

Att skapa en cellmodell har varit en särskilt utmanande uppgift för systembiologi och matematisk biologi . Det involverar användningen av datorsimuleringar av de många cellulära subsystemen såsom nätverk av metaboliter , enzymer som omfattar metabolism och transkription , translation , reglering och induktion av genreglerande nätverk.

Det komplexa nätverket av biokemiska reaktions-/transportprocesser och deras rumsliga organisation gör utvecklingen av en prediktiv modell av en levande cell till en stor utmaning för 2000-talet, listad som sådan av National Science Foundation (NSF) 2006.

En helcellsberäkningsmodell för bakterien Mycoplasma genitalium , inklusive alla dess 525 gener, genprodukter och deras interaktioner, byggdes av forskare från Stanford University och J. Craig Venter Institute och publicerades den 20 juli 2012 i Cell.

En dynamisk datormodell av intracellulär signalering var grunden för Merrimack Pharmaceuticals att upptäcka målet för deras cancermedicin MM-111.

Membranberäkning är uppgiften att modellera specifikt ett cellmembran .

Multicellulär organismsimulering

En simulering med öppen källkod av C. elegans på cellulär nivå genomförs av OpenWorm- gemenskapen. Hittills har fysikmotorn Gepetto byggts och modeller av det neurala connectomet och en muskelcell har skapats i NeuroML-formatet.

Proteinvikning

Huvudartikel: Problem med proteinveckning

Proteinstrukturförutsägelse är förutsägelsen av den tredimensionella strukturen av ett protein från dess aminosyrasekvens - det vill säga förutsägelsen av ett proteins tertiära struktur från dess primära struktur . Det är ett av de viktigaste målen för bioinformatik och teoretisk kemi . Förutsägelse av proteinstruktur är av stor betydelse inom medicin (till exempel i läkemedelsdesign ) och bioteknik (till exempel vid design av nya enzymer ). Vartannat år utvärderas prestandan av nuvarande metoder i CASP- experimentet.

Mänskliga biologiska system

Hjärnmodell

Blue Brain Project är ett försök att skapa en syntetisk hjärna genom omvänd konstruktion av däggdjurshjärnan ner till molekylär nivå . Syftet med detta projekt, som grundades i maj 2005 av Brain and Mind Institute vid École Polytechnique i Lausanne , Schweiz, är att studera hjärnans arkitektoniska och funktionella principer. Projektet leds av institutets direktör, Henry Markram. Genom att använda en Blue Gene- superdator som kör Michael Hines NEURON-programvara , består simuleringen inte bara av ett artificiellt neuralt nätverk, utan involverar en delvis biologiskt realistisk modell av neuroner . Det hoppas av dess förespråkare att det så småningom kommer att kasta ljus över medvetandets natur . Det finns ett antal delprojekt, inklusive Cajal Blue Brain , som koordineras av Supercomputing and Visualization Center i Madrid (CeSViMa), och andra som drivs av universitet och oberoende laboratorier i Storbritannien, USA och Israel. Human Brain Project bygger på arbetet med Blue Brain Project. Det är ett av sex pilotprojekt i Europeiska kommissionens forskningsprogram för framtida framväxande teknologier, som konkurrerar om en miljard euros finansiering.

Modell av immunsystemet

Det senaste decenniet har sett uppkomsten av ett växande antal simuleringar av immunsystemet.

Virtuell lever

Virtual Liver-projektet är ett forskningsprogram på 43 miljoner euro finansierat av den tyska regeringen, som består av sjuttio forskargrupper fördelade över Tyskland. Målet är att producera en virtuell lever, en dynamisk matematisk modell som representerar människans leverfysiologi, morfologi och funktion.

Trädmodell

Huvudartikel: Simulerad tillväxt av växter

Elektroniska träd (e-träd) använder vanligtvis L-system för att simulera tillväxt. L-system är mycket viktiga inom området komplexitetsvetenskap och A-life . Ett universellt accepterat system för att beskriva förändringar i växtmorfologi på cellulär eller modulär nivå har ännu inte utarbetats. De mest implementerade trädgenererande algoritmerna beskrivs i artiklarna "Creation and Rendering of Realistic Trees" och Real-Time Tree Rendering

Ekologiska modeller

Huvudartikel: Ekosystemmodell

Ekosystemmodeller är matematiska representationer av ekosystem . Vanligtvis förenklar de komplexa näringsnät ner till sina huvudkomponenter eller trofiska nivåer och kvantifierar dessa som antingen antal organismer , biomassa eller inventeringen / koncentrationen av något relevant kemiskt element ( till exempel kol eller en näringsart som kväve eller fosfor ).

Modeller inom ekotoxikologi

Syftet med modeller inom ekotoxikologi är att förstå, simulera och förutsäga effekter orsakade av giftiga ämnen i miljön. De flesta nuvarande modeller beskriver effekter på en av många olika nivåer av biologisk organisation (t.ex. organismer eller populationer). En utmaning är utvecklingen av modeller som förutsäger effekter över biologiska skalor. Ekotoxikologi och modeller diskuterar vissa typer av ekotoxikologiska modeller och ger länkar till många andra.

Modellering av infektionssjukdomar

Huvudartiklar: Matematisk modellering av infektionssjukdomar och epidemimodell

Det är möjligt att matematiskt modellera utvecklingen av de flesta infektionssjukdomar för att upptäcka det troliga resultatet av en epidemi eller hjälpa till att hantera dem genom vaccination . Detta fält försöker hitta parametrar för olika infektionssjukdomar och att använda dessa parametrar för att göra användbara beräkningar om effekterna av ett massvaccinationsprogram .

Se även

Anteckningar

Källor

Vidare läsning

externa länkar

Hämtad från " https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Modelling_biological_systems&oldid=1139095082 "