Sistemų biologija

Dalyko anotacija lietuvių kalba

Sistemų biologijos tikslai, reikšmė, istorija, dėsniai. Biologinių sistemų dinaminė elgsena, jos analizės metodai. Duomenų pirminiai šaltiniai, jų gavimo metodai ir duomenų bazės. Sistemų biologijos įrankiai, duomenų ir modelių formatai, analizės algoritmai, vizualizavimas. Sistemų biologijos principų taikymas biologinėms sistemoms analizuoti (metabolinių, signalų transdukcijos ir baltymų sąveikos tinklų analizė), medicinoje, biofarmacijoje, biotechnologijoje, toksikologijoje ir kt. Moksliniai ir technologiniai sistemų biologijos iššūkiai, perspektyvos.

Dalyko anotacija užsienio kalba

Būtinas pasirengimas dalyko studijoms

Molekulinė biologija, Bionanotechnologija ir biomodeliavimas, Visuminė biologinių sistemų analizė

Dalyko studijų rezultatai

Baigę kursą studentai
įgis žinių apie:
•    sistemų biologijos tikslus, reikšmę, atsiradimo ir vystymosi istoriją, sistemų biologijos principus ir dėsnius, tyrimo metodus.
•    biologinių sistemų dinaminę elgseną ir jos analizės metodus, modelius, naudojamus aprašyti paprastas reakcijas ir sudėtingas biologines sistemas;
•    biologinių sistemų, aprašytų diferencialinėmis lygtimis, kokybinę analizę, triukšmus ir perturbacijas biologinėse sistemose, jų įtaka sistemų stabilumui; konkrečius biologinių sistemų kinetinio elgesio pavyzdžius;
•    duomenų, naudojamų sistemų biologijoje, pirminius šaltinius bei klasikinius ir naujus gavimo metodus; duomenų bazes;
•    sistemų biologijos įrankius (techninę ir programinę įrangą, duomenų ir modelių formatus, analizės algoritmus, vizualizavimą);
•    sistemų biologijos principų taikymą biologinėms sistemoms analizuoti, medicinos, biofarmacijos, biotechnologijos, toksikologijos, neuromokslų uždaviniams spręsti.
•    mokslinius ir technologinius sistemų biologijos iššūkius, sistemų biologijos perspektyvas.
gebės:
•    suprasti sistemų biologijos pagrindinius principus ir dėsnius;
•    sudaryti paprastas kinetines ir sudėtingas biologines sistemas aprašančius modelius ir analizuoti jų dinaminę elgseną;
•    apibūdinti įrankius, taikomus sistemų biologijoje;
•    individualiai naudotis duomenų, naudojamų sistemų biologijoje, bazėmis ir naudoti jas įvairiems sistemų biologijos tikslams;
•    konstruoti, analizuoti ir vizualizuoti sudėtingus metabolinius ir kitus tinklus;
•    modeliuoti atskiros organelės ar ląstelės metabolizmą;
•    naudoti sistemų biologijos metodus biologinėms sistemoms analizuoti, biotechnologiniams procesams optimizuoti, farmakologijos ir medicinos problemoms spręsti.

Dalyko turinys

Įvadas. Kas tai yra sistemų biologija? Sistemų biologijos vieta gamtos moksluose, ryšys su fizika, chemija ir biologija. Sistemų biologijos tikslai, reikšmė. Sistemų biologijos istorija (atsiradimas, vystymasis pasaulyje ir Lietuvoje).
Sistemų biologijos – nauja mokslo šaka. Sistemų biologijos principai ir dėsniai: sistemų biologijos dėsnių panašumas su fizikos dėsniais ir esminiai skirtumai (Okamo skustuvo, mažiausios energijos, didžiausio efektyvumo principų (ne)galiojimas gyvose biologinėse sistemose). Sistemų biologijos tyrimo metodai: nuo atskyrimo iki integracijos, nuo molekulių iki tinklų.
Biologinių sistemų dinaminė elgsena, jos analizės metodai, jų evoliucija nuo paprastas reakcijas iki sudėtingas biologines sistemas aprašančių modelių: taškinės ir erdvėje pasiskirsčiusių parametrų sistemos; deterministiniai ir tikimybiniai modeliai (Markovo grandinės, mikroskopiniai, mezoskopiniai ir makroskopiniai modeliai, Būlio modeliai, Bejeso tinklai, statistinis duomenų tyrimas); biologinių sistemų elgsenos aprašymo dif. lygtimis metodai; laikų hierarchija biologinėse sistemose.
Biologinių sistemų, aprašytų diferencialinė-mis lygtimis, kokybinė analizė. Stabilumas. Stacionari būsena. Bifurkacijos. Fazinė plokštuma, fazinė trajektorija, izoklinų me-todas, ypatingi taškai. Triukšmai ir perturba-cijos biologinėse sistemose, jų įtaka sistemų stabilumui. Triukšmas fermentinėse sistemose.
Biologinių sistemų kinetinio elgesio pavyzdžiai: autokatalitinė cheminė reakcija, paprastos ir sudėtingos fermentinės reakcijos, Michaeliso-Menteno lygtys, bistabilios trigerinės sistemos, netiesinės sistemos, populiacijų sąveika (Volteros-Lotkos ir kt. modeliai), baltymų sintezės mezoskopinė kinetika.
Duomenų, naudojamų sistemų biologijoje, pirminiai šaltiniai, duomenų gavimo metodai: klasikiniai metodai, mikrogardelės, mikroskystinės sistemos, visuminė analizė (genomika, proteomika, metabolomika ir kitos -omikos) ir kt.
Duomenų sistemų biologijai bazės: reakcijų kinetinių parametrų, metabolinių kelių, signalų transdukcijos, nukleorūgščių, baltymų, modelių ir kitos (BRENDA, BIND, BioCarta, SigPath, IntAct, GRID, CSB.DB, CellCircuits, BioModels, NCBI ir kt.).
Sistemų biologijos įrankiai: techninė ir programinė įranga (nuo CAIN iki VCELL, SimBiology, METATOOL, CellDesigner, SBW ir kt.), duomenų ir modelių formatai (XML, SBML, CellML ir kt.), analizės algoritmai, vizualizavimas (Cytoscape, NAViGaTOR, Osprey ir kt.) ir kt.
Cytoscape: atviro kodo platforma sudėtingiems tinklams analizuoti ir vizualizuoti. Cellware – pirmasis tinklinis įrankis biologinėms sistemoms modeliuoti ir simuliuoti.
Sistemų biologijos darbastalis – SBW (angl. Systems Biology Workbench), jo galimybės. Elektroninės ląstelės sistema E-Cell (angl. electronic cell system) – programinė aplinka visos ląstelės simuliacijai. E-Cell atsiradimo ir vystymosi istorija. Dabartinės E-Cell galimybės: in vitro daugiafermenčių sistemų dinaminė simuliacija, organelės ir ląstelės metabolizmo modeliavimas, jo taikymas patologinių būsenų analizei ir kt.
Sistemų biologijos principų taikymas biologinėms sistemoms analizuoti (1): genų reguliavimo, metabolinių srautų ir tinklų analizė; signalų transdukcijos kelių analizė; baltymų sąveikos tinklų analizė, metabolinių ir signalinių tinklų integracija.
Sistemų biologijos principų taikymas biolo-ginėms sistemoms analizuoti (2): ląstelės gyvybės ir mirties ciklo analizė (ląstelės vystymosi ciklų, apoptozės analizė); kamieninių ląstelių sistemų biologija.
Sistemų biologijos principų taikymas medi-cinoje (ligas lemiančių genų prognozė, tinklai, baltymų tinklai ligų atveju, su liga susiję potinkliai, personalizuota medicina, viso kūno farmakokinetikos modeliavimas (PK-Sim), virtualus pacientas ir kt.) ir bio-farmacijoje (metabolinių tinklų panaudo-jimas atrankių vaistams taikinių paieškai, organizmo atsako gydymui modeliavimas (PhysioLab), žymenų paieška ir kt.).
Sistemų biologijos principų taikymas biotechnologijoje (mikroorganizmų savybių tobulinimas, biotechnologinių procesų optimizavimas ir kt.), toksikologijoje, neuromoksluose ir kitur.
Moksliniai ir technologiniai sistemų biologijos iššūkiai, būtini tobulinimai. Sistemų biologijos perspektyvos (sintetinė biologija, elektroninės ląstelės, virtualaus žmogaus ir kt. projektai).

Dalyko studijos valandomis

Paskaitos – 30 val., laboratoriniai darbai – 30 val.
Savarankiškas studento darbas – 93 val., žinių patikrinimas – 7 val. Iš viso – 160 val.

Studijų rezultatų vertinimas

Tarpinis testas (koliokviumas) raštu sudaro 23 % galutinio studentų žinių įvertinimo. Laboratoriniai darbai – 27 %. Egzaminas – 50 % galutinio žinių įvertinimo, vertinamas tik atlikus savarankiškas užduotis, bei laboratorinius darbus ir pilnai už juos atsiskaičius.

Literatūra

1.    2012    G. Saulis „Sistemų biologija“ kurso paskaitų skaidruolės     e-copy
2.    2005    Alberghina L., Westerhoff H.V. (Eds.), Systems Biology: Definitions and Perspectives. Berlin, Springer, 2005
3.    2001    Kitano H. (Ed.), Foundations of Systems Biology    The MIT Press, Cambridge
Papildoma literatūra
1.    2007    Alon U., An Introduction to Systems Biology: Design Principles of Biological Circuits,  Chapman & Hall/CRC, Boca Raton
2.    2006    Szallasi Z., Stelling J., Periwal V. (Eds.), System Modeling in Cellular Biology: From Concepts to Nuts and Bolts    The MIT Press, Cambridge
3.    2006    Wilkinson D.J., Stochastic Modeling for Systems Biology.  Chapman & Hall/CRC, Boca Raton