logo-IBA logo-MU © Institut biostatistiky a analýz ÚVOD DO MATEMATICKÉ BIOLOGIE I. setkání třetí prof. Ing. Jiří Holčík, CSc. UKB, pav.A29, RECETOX, dv.č.112 holcik@iba.muni.cz levy-panel-IBA-se-zavojem logo-IBA-transparent logo-MU © Institut biostatistiky a analýz POJĎME SI HRÁT SE SLOVY þ MATEMATIKA BIOLOGIE þ INFORMATIKA MEDICÍNA þ ? BIOMEDICÍNA ? þ þ ? MATEMATICKÁ BIOLOGIE = TEORETICKÁ BIOLOGIE ? INFORMATICKÁ BIOLOGIE ? VÝPOČETNÍ BIOLOGIE BIOMETRIE = BIOSTATISTIKA BIOLOGICKÁ MATEMATIKA = BIOMATEMATIKA BIOLOGICKÁ INFORMATIKA = BIOINFORMATIKA BIOMEDICÍNSKÁ INFORMATIKA levy-panel-IBA-se-zavojem logo-IBA-transparent logo-MU © Institut biostatistiky a analýz MATEMATICKÁ BIOLOGIE (TEORETICKÁ BIOLOGIE) þúloha biologa? þ zkoumání života - jeho existence, forem, projevů, vztahů, … þ ð biologie jako popisná věda, kvalita þúloha teoretického biologa? þ nějaká teorie, resp. myšlenka vysvětlující výše uvedené, nikoliv jen získávání výsledků pozorování, resp. experimentů, i když z nich nepochybně vychází; þ z dostupných dat vyvozuje neznámé vztahy, dostupnými prostředky (matematika, logika, výpočetní technika,…) se je snaží kvantifikovat a vytváří hypotézy (predikce) pro další experimenty þ ð biologie jako „skutečná“ věda, která experimenty ověřuje teorii, kvantita þ levy-panel-IBA-se-zavojem logo-IBA-transparent logo-MU © Institut biostatistiky a analýz HTA « HITA þHEALTH (INTERVENTION &) TECHNOLOGY ASSESSMENT þmetody systematického hodnocení vlastností a vlivů zdravotnické technologie, řešení skutečných a možných problémů použití této technologie, stejně jako jejích nepřímých a neočekávaných vlivů s cílem informovat odpovědné pracovníky rozhodující o použití zdravotnické technologie levy-panel-IBA-se-zavojem logo-IBA-transparent logo-MU © Institut biostatistiky a analýz MATEMATICKÁ BIOLOGIE (TEORETICKÁ BIOLOGIE) þúloha matematika? þ analýza matematických nástrojů (metod, postupů) s cílem dosáhnout pokroku v matematice þúloha matematického biologa? þ omezena především na matematickou pomoc biologii a na srozumitelnou interpretaci dosažených výsledků levy-panel-IBA-se-zavojem logo-IBA-transparent logo-MU © Institut biostatistiky a analýz levy-panel-IBA-se-zavojem logo-IBA-transparent logo-MU © Institut biostatistiky a analýz KDO JE MATEMATICKÝ BIOLOG? þodborník s komplexním vzděláním v oblasti matematiky, analýzy dat a informatiky, ale zároveň i biologie (a biomedicínských) oborů; https://encrypted-tbn3.gstatic.com/images?q=tbn:ANd9GcTIxBYPWe__4kT71CgB9Fo9QaFgxOXAcxHgszOX_NdAdyy 32Qjz3w þodborník s invenčním myšlením; þčlověk schopný analýzy a syntézy poznatků z různých oborů. http://akce.o106.com/files/einstein-222x300.jpg levy-panel-IBA-se-zavojem logo-IBA-transparent logo-MU © Institut biostatistiky a analýz UPLATNĚNÍ MATEMATICKÝCH (TEORETICKÝCH) BIOLOGŮ þ(podle údajů poskytnutých členy americké Society for Mathematical Biology) oblast procenta vysoké školy a výzkumné instituce biologické vědy a výzkum 51 medicína 22 technika 8 zemědělství 3 tělesná výchova a sport 1 umění 1 státní a privátní laboratoře 6 nemocnice 4 privátní business 3 musea 1 levy-panel-IBA-se-zavojem logo-IBA-transparent logo-MU © Institut biostatistiky a analýz UPLATNĚNÍ MATEMATICKÝCH (TEORETICKÝCH) BIOLOGŮ þ(absolventi oboru Matematická biologie PřF MU) oblast vysoké školy a výzkumné instituce IBA MU, RECETOX PřF, AV ČR (Biofyzikální ústav, CzechGlobe,…), LF MU, … nemocnice privátní business (analytické firmy – např. ADDS s.r.o. Brno, farmaceutické firmy, …) státní správa (např. IZIS MZd ČR, odbory ochrany životního prostředí, …) střední školy musea J finanční instituce levy-panel-IBA-se-zavojem logo-IBA-transparent logo-MU © Institut biostatistiky a analýz MATEMATICKÁ BIOLOGIE SMĚRY STUDIA þzpracování, analýza a modelování klinických, fyziologických a epidemiologických dat; http://www.svod.cz/graph/?sessid=flsa0vrumuivfbk0o6an2lnph1&typ=incmor&diag=C50&pohl=z&kraj=&vek_od =1&vek_do=18&zobrazeni=graph&incidence=1&mortalita=1&mi=0&vypocet=w&obdobi_od=1977&obdobi_do=2011&s tadium=&t=&n=&m=&pt=&pn=&pm=&t=&n=&zije=&umrti=&lecba=## þzpracování a analýza biologických, genomických a proteomických dat; þzpracování, analýza a modelování environmentálních dat. p_dna_03.jpg https://encrypted-tbn0.gstatic.com/images?q=tbn:ANd9GcTW00IaL2xyvvt4MTXo7rIlv9cIEnrzkrEvYtwVckP-xIH qnfxO levy-panel-IBA-se-zavojem logo-IBA-transparent logo-MU © Institut biostatistiky a analýz JAK SE OVLIVNILY? þ þj þMATEMATICKÁ BIOLOGIE þ(TEORETICKÁ BIOLOGIE) þMATEMATIKA [ BIOLOGIE þk þBIOMATEMATIKA þBIOLOGIE [ MATEMATIKA þ levy-panel-IBA-se-zavojem logo-IBA-transparent logo-MU © Institut biostatistiky a analýz j MATEMATICKÁ BIOLOGIE þBUNĚČNÁ A MOLEKULÁRNÍ BIOLOGIE þco se společně stalo: þstruktura DNA þmakromolekulární sekvence þgenetické mapování þbuněčná motilita þstrukturální biologie þco by se mohlo společně stát – největší možné výzvy: þ strukturální analýza makromolekul þ simulace molekulární dynamiky þ návrh léčiv þ strukturální analýza nukleových kyselin þ strukturální analýza buněk https://encrypted-tbn2.gstatic.com/images?q=tbn:ANd9GcRsPjYQ3mB2khgti18tTl4W4zjGyirN3UPU6AdTfnpf20D 1PRk9 https://www.microarray.org/sfgf/img/oligoArray.png levy-panel-IBA-se-zavojem logo-IBA-transparent logo-MU © Institut biostatistiky a analýz j MATEMATICKÁ BIOLOGIE þBIOLOGIE ORGANISMŮ þsložité hierarchické biologické systémy (fyziologie) þneurovědy þimunologie þgenomické regulační sítě þvývojová biologie þmorfogeneze þdynamické aspekty vztahů mezi strukturou a funkcí levy-panel-IBA-se-zavojem logo-IBA-transparent logo-MU © Institut biostatistiky a analýz j MATEMATICKÁ BIOLOGIE þEKOLOGIE A EVOLUČNÍ BIOLOGIE þco se společně stalo: þsyntéza populační genetiky a evoluční biologie þautekologie (vztah jedince, resp. určitého druhu k prostředí) þpopulační biologie þepidemiologie (infekčních nemocí) þkomunitní procesy a procesy v ekologii þ þco by se mohlo společně stát – největší možné výzvy: þglobální změny þmolekulární evoluce þproblémy měřítka levy-panel-IBA-se-zavojem logo-IBA-transparent logo-MU © Institut biostatistiky a analýz BUNĚČNÁ A MOLEKULÁRNÍ BIOLOGIE þSTRUKTURA DNA https://encrypted-tbn2.gstatic.com/images?q=tbn:ANd9GcRsPjYQ3mB2khgti18tTl4W4zjGyirN3UPU6AdTfnpf20D 1PRk9 þšroubovice þjak se mění tvar DNA vlivem různých externích vlivů (deformací) topologie (– diferenciální geometrie – diferenciální počet) definuje a kvantifikuje vlastnosti prostoru, které jsou invariantní vůči změnám (vnějším deformacím) v kruhová struktura DNA (otevřená, uzavřená) v analýza enzymů, které mění topologii DNA řetězců vkvantitativní analýza vazby proteinů a malých ligandů na DNA vnadšroubovicové vinutí, atd. … levy-panel-IBA-se-zavojem logo-IBA-transparent logo-MU © Institut biostatistiky a analýz BUNĚČNÁ A MOLEKULÁRNÍ BIOLOGIE þMAKROMOLEKULÁRNÍ SEKVENCE https://encrypted-tbn2.gstatic.com/images?q=tbn:ANd9GcRsPjYQ3mB2khgti18tTl4W4zjGyirN3UPU6AdTfnpf20D 1PRk9 þGenBank – databáze známých DNA sekvencí (řádově 108 bází) þProtein Identification Resource (PIR) – databáze proteinových sekvencí Při řádově kb/sekvence je výpočetní pracnost ~ 1011 hledání vazeb mezi novými DNA sekvencemi a těmi v databázích nové algoritmy prohledávání databází - dynamické programování otázky odhadu spolehlivosti, resp. významnosti srovnávání levy-panel-IBA-se-zavojem logo-IBA-transparent logo-MU © Institut biostatistiky a analýz BUNĚČNÁ A MOLEKULÁRNÍ BIOLOGIE þGENETICKÉ MAPOVÁNÍ þprůchod „genetických markerů“ (geny spojené např. s genetickými chorobami) v „rodinných“ rodokmenech vyhledávání sekvencí, stanovování tzv. „pravděpodobnostní“ vzdálenosti, tj. pravděpodobnosti výskytu markeru v různých následných pokoleních kombinatorika, teorie grafů, statistika, … neklerin gen haritas karld levy-panel-IBA-se-zavojem logo-IBA-transparent logo-MU © Institut biostatistiky a analýz BUNĚČNÁ A MOLEKULÁRNÍ BIOLOGIE þBUNĚČNÁ MOTILITA þprincip pohybu pomocí bičíku þpohyb bakterií v chemických gradientech þanalýza forem pohybu þpočítání buněk (molekul) v jejich prostředí Þ analýza obrazů þmakroskopické chování buněčných populací ve vztahu k mikroskopickému chování jednotlivých buněk þ http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/0/08/Flagella.png levy-panel-IBA-se-zavojem logo-IBA-transparent logo-MU © Institut biostatistiky a analýz BUNĚČNÁ A MOLEKULÁRNÍ BIOLOGIE þSTRUKTURÁLNÍ BIOLOGIE v oblasti buněčné a molekulární biologie asi největší vliv matematiky spolu s fyzikou stanovení struktury důležitých makromolekul, jejich uspořádání do speciálních částic a organel, případně různých vyšších hierarchických úrovní organizace ß röntgenovská krystalografie NMR spektroskopie přínos matematiky: vvýpočetní algoritmy pro zpracování velkého množství informace o lokálních vlastnostech originálních obrazových dat vanalytické metody pro určení struktury vpočítačová grafika http://camcor.uoregon.edu/wp-content/uploads/2012/11/xray_image003.jpg levy-panel-IBA-se-zavojem logo-IBA-transparent logo-MU © Institut biostatistiky a analýz BUNĚČNÁ A MOLEKULÁRNÍ BIOLOGIE VÝZVY þSTRUKTURÁLNÍ ANALÝZA MAKROMOLEKUL potřeba posunu v oblasti molekulární geometrie a následné vizualizace struktury vanalýza mechanismů skládání krystalických a hydratovaných proteinů v • http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/0/0b/ProteinStructures.png/320px-ProteinStructu res.png vřádkovací tunelová mikroskopie vmikroskopie atomárních sil velektronová mikroskopická tomografie http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/f/f9/ScanningTunnelingMicroscope_schematic.png levy-panel-IBA-se-zavojem logo-IBA-transparent logo-MU © Institut biostatistiky a analýz j MATEMATICKÁ BIOLOGIE þBUNĚČNÁ A MOLEKULÁRNÍ BIOLOGIE þco se společně stalo: þstruktura DNA þmakromolekulární sekvence þgenetické mapování þbuněčná motilita þstrukturální biologie þco by se mohlo společně stát – největší možné výzvy: þ strukturální analýza makromolekul þ simulace molekulární dynamiky þ návrh léčiv þ strukturální analýza nukleových kyselin þ strukturální analýza buněk https://encrypted-tbn2.gstatic.com/images?q=tbn:ANd9GcRsPjYQ3mB2khgti18tTl4W4zjGyirN3UPU6AdTfnpf20D 1PRk9 https://www.microarray.org/sfgf/img/oligoArray.png levy-panel-IBA-se-zavojem logo-IBA-transparent logo-MU © Institut biostatistiky a analýz BIOLOGIE ORGANISMŮ þzabývá se všemi biologickými aspekty jednotlivých živočichů a rostlin, včetně fyziologie, morfologie, vývoje a chování þspojuje jak mikro, tak makro biologii þ þ levy-panel-IBA-se-zavojem logo-IBA-transparent logo-MU © Institut biostatistiky a analýz BIOLOGIE ORGANISMŮ þzabývá se všemi biologickými aspekty jednotlivých živočichů a rostlin, včetně fyziologie, morfologie, vývoje a chování þspojuje jak mikro, tak makro biologii þ þ levy-panel-IBA-se-zavojem logo-IBA-transparent logo-MU © Institut biostatistiky a analýz BIOLOGIE ORGANISMŮ þzabývá se všemi biologickými aspekty jednotlivých živočichů a rostlin, včetně fyziologie, morfologie, vývoje a chování þspojuje jak mikro, tak makro biologii þ þMORFOGENEZE levy-panel-IBA-se-zavojem logo-IBA-transparent logo-MU © Institut biostatistiky a analýz PŘÍBĚH MORFOGENESE http://www.thocp.net/biographies/pictures/turing_alan_04.jpg [Photo] levy-panel-IBA-se-zavojem logo-IBA-transparent logo-MU © Institut biostatistiky a analýz http://sexualityinart.files.wordpress.com/2009/09/alan-turing-2.jpg PŘÍBĚH MORFOGENESE [Photo] levy-panel-IBA-se-zavojem logo-IBA-transparent logo-MU © Institut biostatistiky a analýz http://sexualityinart.files.wordpress.com/2009/09/alan-turing-2.jpg PŘÍBĚH MORFOGENESE [Photo] þ 30. XII.1865, Bombaj, Indie þV 18. I. 1936, Londýn, U.K. levy-panel-IBA-se-zavojem logo-IBA-transparent logo-MU © Institut biostatistiky a analýz http://sexualityinart.files.wordpress.com/2009/09/alan-turing-2.jpg PŘÍBĚH MORFOGENESE [Photo] þ 30. XII.1865, Bombaj, Indie þV 18. I. 1936, Londýn, U.K. þ 1907 Nobelova cena levy-panel-IBA-se-zavojem logo-IBA-transparent logo-MU © Institut biostatistiky a analýz http://sexualityinart.files.wordpress.com/2009/09/alan-turing-2.jpg PŘÍBĚH MORFOGENESE [Photo] þ 30. XII.1865, Bombaj, Indie þV 18. I. 1936, Londýn, U.K. þ 1907 Nobelova cena za literaturu levy-panel-IBA-se-zavojem logo-IBA-transparent logo-MU © Institut biostatistiky a analýz http://sexualityinart.files.wordpress.com/2009/09/alan-turing-2.jpg PŘÍBĚH MORFOGENESE [Photo] þ 30. XII.1865, Bombaj, Indie þV 18. I. 1936, Londýn, U.K. þ 1907 Nobelova cena za literaturu Joseph Rudyard Kipling levy-panel-IBA-se-zavojem logo-IBA-transparent logo-MU © Institut biostatistiky a analýz File:Justso rhino.jpg http://www.boop.org/jan/justso/graphics/bottom.gif RUDYARD KIPLING http://www.boop.org/jan/justso/graphics/top.gif http://www.boop.org/jan/justso/graphics/whale0a.gif http://www.boop.org/jan/justso/graphics/camel0a.gif http://www.boop.org/jan/justso/graphics/rhino0a.gif http://www.boop.org/jan/justso/graphics/leopard0a.gif http://www.boop.org/jan/justso/graphics/elephant0a.gif http://www.boop.org/jan/justso/graphics/kanga0a.gif http://www.boop.org/jan/justso/graphics/armadil0a.gif http://www.boop.org/jan/justso/graphics/letter0a.gif http://www.boop.org/jan/justso/graphics/alpha0a.gif http://www.boop.org/jan/justso/graphics/crab0a.gif http://www.boop.org/jan/justso/graphics/cat0a.gif http://www.boop.org/jan/justso/graphics/butter0a.gif File:JustSoStories.jpg levy-panel-IBA-se-zavojem logo-IBA-transparent logo-MU © Institut biostatistiky a analýz http://img.agatinsvet.cz/commodityDetailZoom/images/8594072275081.jpg RUDYARD KIPLING Bajky i nebajky / Just So Stories levy-panel-IBA-se-zavojem logo-IBA-transparent logo-MU © Institut biostatistiky a analýz HOW THE LEOPARD GETS ITS SPOTS Photo: A leopard rests in a treetop perch levy-panel-IBA-se-zavojem logo-IBA-transparent logo-MU © Institut biostatistiky a analýz HOW THE LEOPARD GETS ITS SPOTS File:Clouded leopard.jpg levy-panel-IBA-se-zavojem logo-IBA-transparent logo-MU © Institut biostatistiky a analýz http://sexualityinart.files.wordpress.com/2009/09/alan-turing-2.jpg PŘÍBĚH MORFOGENESE [Photo] levy-panel-IBA-se-zavojem logo-IBA-transparent logo-MU © Institut biostatistiky a analýz http://sexualityinart.files.wordpress.com/2009/09/alan-turing-2.jpg PŘÍBĚH MORFOGENESE [Photo] 23. VI.1912, Londýn, U.K. V 7. VI. 1954, Wilmslow, Cheshire, U.K. levy-panel-IBA-se-zavojem logo-IBA-transparent logo-MU © Institut biostatistiky a analýz http://sexualityinart.files.wordpress.com/2009/09/alan-turing-2.jpg PŘÍBĚH MORFOGENESE [Photo] 23. VI.1912, Londýn, U.K. V 7. VI. 1954, Wilmslow, Cheshire, U.K. Alan Mathison Turing OBE, FRS levy-panel-IBA-se-zavojem logo-IBA-transparent logo-MU © Institut biostatistiky a analýz http://sexualityinart.files.wordpress.com/2009/09/alan-turing-2.jpg PŘÍBĚH MORFOGENESE [Photo] 23. VI.1912, Londýn, U.K. V 7. VI. 1954, Wilmslow, Cheshire, U.K. 1945 Officer of the Most Excellent Order of the British Empire 1951 zvolen FRS - Non-linear theory of biological growth Alan Mathison Turing OBE, FRS http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/0/0d/Mbe_medal_front_and_obverse.jpg http://t2.gstatic.com/images?q=tbn:ANd9GcQAHivL-tSjNThegDMwIW83OATAoyuJbteXd9GMoLZL7bVtiDEj levy-panel-IBA-se-zavojem logo-IBA-transparent logo-MU © Institut biostatistiky a analýz PŘÍBĚH MORFOGENESE þ 30. XII.1865, Bombaj, Indie þV 18. I. 1936, Londýn, U.K. þ1907 Nobelova cena za literaturu Joseph Rudyard Kipling Alan Mathison Turing OBE, FRS 23. VI.1912, Londýn, U.K. V 7. VI. 1954, Wilmslow, Cheshire, U.K. 1945 Officer of the Most Excellent Order of the British Empire 1951 zvolen FRS - Non-linear theory of biological growth http://sexualityinart.files.wordpress.com/2009/09/alan-turing-2.jpg [Photo] James Dickson Murray FRS (Edinburg), Acad.Sci. (Paris) 2. I. 1931, Moffat, Skotsko, U.K. 1979 Fellow of the Royal Society (Edinburg) 2000 zahraniční člen francouzské Akademie věd levy-panel-IBA-se-zavojem logo-IBA-transparent logo-MU © Institut biostatistiky a analýz JAMES D. MURRAY http://ecx.images-amazon.com/images/I/41Hhto3lWML.jpg levy-panel-IBA-se-zavojem logo-IBA-transparent logo-MU © Institut biostatistiky a analýz JAMES D. MURRAY þ þhttp://www.youtube.com/watch?v=6Yj5Nyb_VyU þ þhttp://www.youtube.com/watch?v=2u3YYNoOVRY þ þ levy-panel-IBA-se-zavojem logo-IBA-transparent logo-MU © Institut biostatistiky a analýz þZA MĚSÍC NA SHLEDANOU