Systémová
biologie
C2138 – POKROČILÁ BIOINFORMATIKA
Systémová biologie
❖Modeluje procesy v buňce (signální
dráhy, metabolismus, transkripční
dráhy)
❖Kombinuje jednotlivé procesy do
většího celku.
Výhody
❖Prostor a čas si můžeme libovolně stlačovat a roztahovat.
❖Algoritmy a programy mohou být použity nezávisle na
studovaném systému.
❖Během modelování se zdůrazní mezery ve vědění.
❖Různé scénáře, časy
❖Sledujeme libovolnou komponentu
❖Neomezené množství simulací
❖Ověření proveditelnosti hypotézy
❖Cena
Co je to model?
❖abstraktní reprezentace objektů (nebo procesů), které vysvětlují
chování těchto objektů (nebo procesů)
❖reprezentuje specifický aspekt reality
❖„All models are wrong, but some of them are useful.“ George
Box
0→X : a1=v0(konst.)
X→0 : a2=kx
.[X]
0→Y : a3=fy
.[X]
Y→0 : a4=ky
.[Y]
dx/dt = v0 – kxx
dy/dt = fyx – kyy
x(0) = x0
y(0) = y0
Model
❖Prvky, které popisují studovanou vlastnost systému.
❖Všechno ostatní se zanedbá nebo zjednoduší
❖Proměnné x konstanty x parametry
❖Interní x externí komponenty
Požadavky na dobrý model
❖Shoda s experimentálními daty
❖Schopnost předpovědět něco nového
❖Realistický
❖Jednoduchý
Shoda s experimentem Dobře reprezentující
biologický systém
Komplexní model Dobrý „data fit“ Biologické detaily
Jednoduchý model Dobrá predikce Redukce na klíčové
principy
SBGN – Systems Biology Graphical Notation
Motivy biologických sítí
Klasifikace
❖kvalitativní x kvantitativní
❖deterministický x stochastický
❖diskrétní x kontinuální
❖reversibilní x ireversibilní
❖periodičnost
Simulační techniky
❖Diferenciální rovnice
❖Stochastické metody
❖Booleovské modely
❖Petriho sítě
❖Buněčné automaty
❖Hybridní přístupy
Diferenciální rovnice
❖kontinuální model – koncentrace, čas
❖reakční kinetika 1., 2. řádu, Michaelis-Menten
❖𝐸 + 𝑆
𝑘1
𝑘
−
1
𝐸𝑆 ՜
𝑘2
𝐸 + 𝑃
dS/dt = -k1E.S + k-1ES
dES/dt = k1E.S – (k-1+k2)ES
dE/dt = -k1E.S + (k-1+k2)ES
dP/dt = k2ES
Simulační techniky
❖Diferenciální rovnice
❖Stochastické metody
❖Booleovské modely
❖Petriho sítě
❖Buněčné automaty
❖Hybridní přístupy
Booleovské modely, Petriho sítě
❖diskrétní modely
❖jednodušší, užitečné pro pochopení základů složitých sítí
❖AND, OR, NOT
❖Petriho síť x booleovský model
Simulační techniky
❖Diferenciální rovnice
❖Stochastické metody
❖Booleovské modely
❖Petriho sítě
❖Buněčné automaty
❖Hybridní přístupy
Databáze
❖databáze už publikovaných modelů
❖BioModels https://www.ebi.ac.uk/biomodels-main/
❖JWS Online http://jjj.mib.ac.uk/
Databáze
❖databáze reakčních drah
❖PathGuide http://www.pathguide.org/
❖KEGG https://www.genome.jp/kegg/
❖Reactome https://reactome.org/
❖WikiPathways
https://www.wikipathways.org/index.php/WikiPathways
❖ConsensusPathDB http://consensuspathdb.org/
Databáze
❖BioNumbers
https://bionumbers.hms.harvard.edu/search.aspx
❖BRENDA https://www.brenda-enzymes.org/
Nástroje – pár příkladů
❖CellDesigner
❖COPASI
❖Virtual Cell
❖CellColective