Informace o předmětu Výběr zadání Přehled základních pojmů PA183: Projekt ze systémové biologie David Šafránek 26.2.2010 Informace o předmětu Výběr zadání Přehled základních pojmů Obsah Informace o předmětu Výběr zadání Přehled základních pojmů Informace o předmětu Výběr zadání Přehled základních pojmů Cíle předmětu * odborné cíle * praktické seznámení s paradigmatem systémové biologie * seznámení s modelovacími/analyzačními nástroji * schopnost porozumět biologickému modelu * věcné cíle * návrh postupu řešení komplexního problému * realizace řešení * presentace výsledků formou reportu * možnost rozšíření formou bakalářské/diplomové práce Informace o předmětu Výběr zadání Přehled základních pojmů Průběh předmětu * výklad/opakování základních pojmů * výběr zadání projektů * konzultace vyhrazeny každý pátek 12:00, lab SyBiLa (C518) * rozložení kreditové zátěže: 2 kredity * příprava presentací (21.5.) * vypracování závěrečného reportu Informace o předmětu Výběr zadání Přehled základních pojmů Požadavky na ukončení * zkouška * jednoduchá webová stránka projektu * odevzdání reportu (2 strany A4) * presentace výsledků (10 min) * presentace budou realizovány 21.5. 12:00 v B411 * známka A-E udělena na základě kvality provedení (výsledky, presentace) * kolokvium * stejné podmínky jako zkouška * relaxováno hodnocení kvality Informace o předmětu Výběr zadání Přehled základních pojmů Obsah Informace o předmětu Výběr zadání Přehled základních pojmů Informace o předmětu Výběr zadání Přehled základních pojmů Skupina témat I: Modelování fotosyntézy Informace o předmětu Výběr zadání Přehled základních pojmů Skupina témat I: Modelování fotosyntézy Informace o předmětu Výběr zadání Přehled základních pojmů Skupina témat I: Modelování fotosyntézy Informace o předmětu Výběr zadání Přehled základních pojmů Téma I(a): Kompaktní popis modelu fotosystému PSII Skupina témat I: Modelování fotosyntézy Problém Procesy probíhající ve fotosystému PSII při přijetí fotonu tvoří kaskádu redoxně oxidačních reakcí mezi donory a akceptory. Každá z komponent může být ve stavu neutrální/oxidovaná/redukovaná. Dochází tak ke kombinatorické explozi možných stavů fotosystému, což činí model obtížně specifikovatelný prostřednictvím tradičních metod. Úkol Dle pokynů konzultanta uvažte konkrétní model PSII a zkuste jej zapsat prostřednictvím vhodných rule-based případně algebraických formalismů (-calculus, BioPEPA, BioNetGen, BioCHAM, . . . ). U úspěšných modelů využijte příslušný simulační nástroj a ověřte simulovatelnost modelu. Realizace Maximální počet řešitelů: 2 Informace o předmětu Výběr zadání Přehled základních pojmů Téma I(b): Databáze pro simulace modelů fotosyntézy Skupina témat I: Modelování fotosyntézy Úkol V rámci návrhu a implementace databázového a simulačního serveru www.e-photosynthesis.org pro modely fotosyntézy (dle knihy Nedbal, Laisk: "Photosynthesis in silico", Springer, 2009) se seznamte s vybranými modely fotosyntézy a tyto vložte do databáze. Proveďte nastavení defaultních profilů simulací pro tyto modely a simulace otestujte. Realizace Matej Klement Informace o předmětu Výběr zadání Přehled základních pojmů Skupina témat II: Modelování bakterie E. coli Informace o předmětu Výběr zadání Přehled základních pojmů Skupina témat II: Modelování bakterie E. coli Chemotaxe metylace demetylace adaptér receptoru CheZ fliM animace: http://www.seoulin.co.kr/Up/index-chemotaxis.html Informace o předmětu Výběr zadání Přehled základních pojmů Téma II(a): Kvalitativní model chemotaxe Skupina témat II: Modelování bakterie E. coli Problém Bakterie se pohybují prostřednictvím bičíku (flagellum). Bičík je ukotven v membráně, kde je umožněno jeho otáčení dvěma směry. Změnou směru otáčení dochází ke změně topologického uspořádání bičíku a tím změně trajektorie pohybu bakterie v prostředí difůze ostatních molekul. Pohyb bakterie je ovlivňován tzv. atraktantem/repelentem jehož přítomnost v okolí buňky je rozpoznána prostřednictvím příslušného receptoru a dále přenášena do genetické regulační sítě buňky prostřednictvím jednoduché signální dráhy. Přesný model tohoto chování dosud není znám, existuje však poměrně přesná charakterizace celého mechanismu. Chemotaxi je tedy možné modelovat na určité úrovni abstrakce (relaxuje se od přesné specifikace rychlosti jednotlivých reakcí). Úkol Dle pokynů konzultanta uvažte konkrétní schema chemotaxe E. coli a zkuste jej vymodelovat prostřednictvím kvalitativní Petriho sítě (můžete použít např. nástroj SNOOPY). Nastavte model tak, aby jeho simulace reflektovala očekávané chování. Dále vytvořte dvě varianty modelu reflektující přítomnost atraktantu, resp. repelentu. Realizace Maximální počet řešitelů: 2 Informace o předmětu Výběr zadání Přehled základních pojmů Skupina témat III: Vývoj simulačních metod pro biologické modely Téma III(a): Kombinace metod abstrakce a numerické simulace Úkol Cílem je navrhnout a implementovat (na úrovni experimentálního prototypu) diskrétní abstrakci vhodně aproximující spojitý stavový prostor deterministických modelů dynamiky biochemických reakcí. Současně řešeným projektem je navrhnout metodu simulace kombinující diskrétní abstrakci s numerickou simulací. Realizace Sven Dražan Informace o předmětu Výběr zadání Přehled základních pojmů Odborné články Kitano, H. Systems Biology: Toward System-level Understanding of Biological Systems. Chapter in Foundations of Systems Biology, The MIT Press, 2001. Eils J. et.al. Databases for Systems Biology. Chapter in Computational Systems Biology, Academic Press, Elsevier, 2005. Westerhoff H.V. and Hofmeyr J.H.S. What is systems biology? From genes to function and back. Chapter in Systems Biology: Definitions and Perspectives. Springer, 2005. Bentele M. and Eils R. Systems biology of apoptosis. Chapter in Systems Biology: Definitions and Perspectives. Springer, 2005. Fisher J. and Henzinger T. Executable cell biology. Nature Biotechnology, 25:11 (2007). Informace o předmětu Výběr zadání Přehled základních pojmů Obsah Informace o předmětu Výběr zadání Přehled základních pojmů Informace o předmětu Výběr zadání Přehled základních pojmů Hlavní teze: Organismus = komplexní systém genotyp Informace o předmětu Výběr zadání Přehled základních pojmů Hlavní teze: Organismus = komplexní systém genotyp fenotyp = emergentni vlastnost Informace o předmětu Výběr zadání Přehled základních pojmů Subteze: Živá buňka = komplexní systém genotyp metabolismus, proteosyntéza = emergentní vlastnosti Informace o předmětu Výběr zadání Přehled základních pojmů Systémová biologie * nový vědecký směr v biologii s podporou neživých věd * paradigma: komplexní pohled (opak redukcionismu) * organismus chápán jako komplexní systém (biologický systém) * předmětem studia jsou interakce mezi jeho komponentami * kořeny v živých i neživých vědách * biochemie a molekulární biologie (kinetika enzymů) * matematická simulace a teorie řízení * intenzívní výzkum od roku 2000 * vyžaduje úzkou kooperaci: biolog ­ matematik ­ informatik Informace o předmětu Výběr zadání Přehled základních pojmů Modelování a predikce v systémové biologii validace modelu dotazy na model biologická sít objevené vlastnosti rekonstrukce sítí databáze biol. znalostí + literatura analýza modelu statická analýza, numerická simulace, analytické metody, model checking SBML, diferenciální rovnice, specifikace modelu boolovská sít, Petriho sít, ... verifikace hypotéz, detekce vlastností genové reportéry, DNA microarray, hmotnostní spektrometrie, ... vyvození nových hypotéz hypotézy Informace o předmětu Výběr zadání Přehled základních pojmů Modelování a predikce v systémové biologii validace modelu hmotnostní spektrometrie, ... zjistene vlastnosti dotazy na model genové reportéry, DNA microarray, biologická sít rekonstrukce sítí databáze biol. znalostí + literatura analýza modelu vyvození nových hypotéz verifikace hypotéz, detekce vlastností analytické metody, model checking SBML, diferenciální rovnice, specifikace modelu boolovská sít, Petriho sít, ... statická analýza, numerická simulace, DATA MINING FORMÁLNÍMETODY BIOINFORMATIKA COMPUTATIONALBIOLOGY METABOLOMIKA,PROTEOMIKA TRANSKRIPTOMIKA BIOFYZIKA,BIOCHEMIE FORMÁLNÍMETODY COMPUTATIONAL SYSTEMS BIOLOGY [Kitano2002] Informace o předmětu Výběr zadání Přehled základních pojmů Nástroj: virtuální (in silico) laboratoř validace modelu hmotnostní spektrometrie, ... genové reportéry, DNA microarray, vyvození nových hypotéz verifikace hypotéz, detekce vlastností statická analýza, numerická simulace, analytické metody, model checking SBML, diferenciální rovnice, specifikace modelurekonstrukce sítí databáze biol. znalostí + literatura boolovská sít, Petriho sít, ... analýza modelu virtuálnílab Informace o předmětu Výběr zadání Přehled základních pojmů Od komponent k hypotézám Genomika Proteomika Metabolomika Rekonstrukce sít biochemických reakcí DynamikaStruktura Vymezení Citlivost Ruch infinitní prostor hypotéz a interpretací Informace o předmětu Výběr zadání Přehled základních pojmů Koncept hierarchie Informace o předmětu Výběr zadání Přehled základních pojmů Centrální dogma Informace o předmětu Výběr zadání Přehled základních pojmů Transkripce a translace genetického kódu Informace o předmětu Výběr zadání Přehled základních pojmů Biochemické procesy v buňce * molekulární komponenty ­ proteiny, DNA, RNA,. . . * interakce na různých úrovních (transkripce, metabolismus,. . . ) * příjem signálů a živin (nutrientů) na membráně Informace o předmětu Výběr zadání Přehled základních pojmů Biochemické procesy v buňce nutrienty enzymy regulatory produkty metabolismu proteiny signaly PROTEOSYNTEZAMETABOLISMUS Informace o předmětu Výběr zadání Přehled základních pojmů Biochemické procesy v buňce nutrienty enzymy regulatory produkty metabolismu proteiny signaly PROTEOSYNTEZAMETABOLISMUS Informace o předmětu Výběr zadání Přehled základních pojmů Biochemické procesy v buňce nutrienty enzymy regulatory produkty metabolismu proteiny signaly Informace o předmětu Výběr zadání Přehled základních pojmů Biochemické procesy v buňce nutrienty enzymy regulatory produkty metabolismu proteiny signaly zpetne vazbyzpetne vazby Informace o předmětu Výběr zadání Přehled základních pojmů Funkční vsrtvy buňky Informace o předmětu Výběr zadání Přehled základních pojmů Funkční vrstvy buňky vrstva metabolismu * rozsáhlý soubor katalytických (enzymových) reakcí * příjem a zpracování energie v buňce * rozklad a syntéza látek transdukce signálů * kaskády reakcí zpravovávající externí/interní signál * receptory externích signálů na membráně interakce proteinů * tvorba proteinových komplexů * transkripční faktory a enzymy metabolismu transkripční regulace * řízení proteosyntézy Informace o předmětu Výběr zadání Přehled základních pojmů Biologické sítě a dráhy metabolicka sit X2 Signal 2 Signal 3Signal 1 aktivace represe X1 Xm X3 Signal n nutrienty enzymy regulatory produkty metabolismu proteiny signaly geneticka sit Informace o předmětu Výběr zadání Přehled základních pojmů Biologické sítě a dráhy * biochemická interakce molekul popsaná grafem * uzly * molekuly/komplexy biochemických látek * biochemické reakce * hrany * regulace (aktivace, represe, katalýza) * příslušnost k reakci (produkt, zdroj) * dráhy -- zaměřené na určitá specifika (látky, reakce) * typicky signální dráhy * sítě -- komplexní interakce * různé úrovně abstrakce Informace o předmětu Výběr zadání Přehled základních pojmů Příklad metabolické dráhy Informace o předmětu Výběr zadání Přehled základních pojmů Tvorba in silico modelu * pilířem jsou biochemické reakce * model reprezentován staticky biologickou sítí * nezávislý na výpočetních a analyzačních nástrojích (modelování dynamiky) * obecný popisovací jazyk -- Systems Biology Markup Language (SMBL) ­ http://www.sbml.org * grafická notace ­ SBGN ­ http://www.sbgn.org * analýza spočívá v simulaci dynamiky reakcí * vývoj substrátů v čase * různé přístupy k modelování dynamiky, aproximace * spojité/diskrétní * deterministické/stochastické