Organizace biologických sítí PA052: Úvod do systémové biologie David Šafránek 20.10.2011 INVESTICE DO R C Ĺ V O J t VZDĚLÁVÁNI Organizace biologických sítí Obsah Organizace biologických sítí Organizace biologických sítí Obsah Organizace biologických sítí Organizace biologických sítí Organizováno st biologických sítí • biologické systémy determinovány hierarchií biologických sítí • biologické sítě jsou modulární • omezená propojenost (souvislost) • interakce pouze mezi specifickými uzly • komplexní řízení složitých (pod)úkolů biologických siti Organizováno st biologických sítí biologické systémy determinovány hierarchií biologických sítí biologické sítě jsou modulární • omezená propojenost (souvislost) • interakce pouze mezi specifickými uzly • komplexní řízení složitých (pod)úkolů souvislé (nemodulární) propojení by znamenalo: • jednoduchý globální mechanismus • vhodné pouze pro velmi stabilní (příhodné) prostředí Organizace biologických sítí Biologie vs. inženýrství živa bunka SW/HW system J Organizace biologických sítí Biologie vs. inženýrství živa bunka HE ridici moduly siti SW/HW system funkcni komponenty Organizace biologických sítí Biologie vs. inženýrství živa bunka HE ridici moduly siti 3£ sitové motivy SW/HW system funkcni komponenty Čt logické obvody Organizace biologických sítí Biologie vs. inženýrství živa bunka HE ridici moduly siti SW/HW system funkcni komponenty 3E rizeni signálu 3£ sitove motivy logické obvody Organizace biologických sítí Biologie vs. inženýrství živa bunka robustnost < > ridici moduly siti i------- _____, SW/HW systém funkcni komponenty 3E rizeni signálu 3£ sitove motivy logické obvody Organizace biologických sítí Biologie vs. inženýrství • v inženýrství vyrábíme optimální obvod pro řešení určitého problému • hledáme funkci několika vstupních signálů • výstupem této fce je požadovaná reakce systému X y z w OUT biologických siti Biologie vs. inženýrství evoluce hledá optimální sít pro řízení určité fyziologické aktivity • opět fce několika vstupních signálů ovlivňujících danou aktivitu • výstupem této fce je např. změna produkce určitého proteinu X Y z w OUT Organizace biologických sítí Organizace biologických sítí Organizace biologických sítí Organizace biologických sítí Nemodulární systém - Experiment i 09 oa í í 0 T 0.4 lJ loon ano Mca AO oo sooo sooo • vývoj optimálního řešení pro fixní cíl (X XOR Y) AND (Z XO/? W) • simulace evolučním algoritmem 700C 800(1 SOOO 10 biologických siti Proměnné prostředí - Experiment budeme alternovat cíle (X XOR Y) AND (Z XOR W) a (XXOR Y) OR {Z XOR W) každou "epochu" (20 generací) optimální řešení experimentujeme simulací evolučním algoritmem i 09 10.7 4 05 mai I mr V 04 50 epochs o. m max fitness mean r lne« 1000 2000 3000 «00 5OO0 6000 7000 8000 9000 10000 Generation Organizace biologických sítí Organizace biologických sítí Organizace biologických sítí Modulární systém (X XOR Y) AND (Z XOR W) (X XOR Y) OR (Z XOR W) X YZW X YZW Organizace biologických sítí Modularita systému • modularita zvyšuje počet uzlů v systému • umožňuje však snadnou modifikaci při změně cílové funkce • evoluce vyvíjí živé organismy pro reálné (variabilní) prostředí • modularita — možnost vytvořit snadnou modifikací mutace pro různá prostředí • evoluce konverguje k modulárním sítím za účelem adaptace k prostřed í • změny prostředí však musí vykazovat určitou organizovanost • inherentní modularita může zjednodušit pochopení komplexních jevů Nadav Kashtan and Uri Alon, From the Cover: Spontaneous evolution of modularity and network motifs PNAS, 102: 13773-13778 (2005) biologických siti Modularita systému ° 0 5000 10.000 15,000 20,000 Generatlons v konstantním prostředí je modulární obvod nahrazen nemodulárním (minimalizace počtu uzlů) biologických siti Modularita systému v případě biologické evoluce je cílem určitá sada biologických funkcí organismu tyto funkce jsou implikovány prostředím např. chemotaxe řízená gradientem nutrientů vyžaduje násl. fce: • vnímání situace prostředí • výpočet směru pohybu • realizace pohybu • metabolizace nutrientů dalším příkladem jsou signální dráhy jako modul, který se snadno přizpůsobuje potřebám transdukce různých typů vstupů na různé výstupy —> k "adaptaci" dochází např. při diferenciaci buňky biologických siti Modularita systému - motivy v sítích 3 < 5 6 7 6 B 1011 1213 "1 1 2 3 * 5 6 7 8 9 1011 12 statistická nadreprezentace specifických podgrafů (obvodů) Organizace biologických sítí Modularita systému - motivy v sítích tlenr ívpilHlim (IľanscríprifiH) E, óoh 424 519 s. rprrviw ňas i,ns2 40 : >V,-ki^Ľ> Zagatc — X Fetd-V f MIM lil \ 7±3 10 K V Hi-lan Z W 203 47 ± 12 13 1R12 30(1 ±411 41 «.„1 X^ISD ,„,10 Namu C ffe^aiíl 252 509 p K F«d-V íiu-ira ľd Y L\ Fouc-A 1 niKW y [ctdl>jck y -í—w íucp 5 1 + 1 J 23 1 ± 1 li iVnrlil WHcWib v ■um J TIIU Ulili 3 2bJí ]