Úvod Systémová biologie Ekologie Modelování biologických systémů Radek Pelánek Úvod Systémová biologie Ekologie Modelování v biologických vědách typický cíl: pomocí modelů se snažíme pochopit, jak biologické systémy fungují model zahrnuje naše chápání simulace ukazuje, zda model odpovídá realitě Úvod Systémová biologie Ekologie Výhody výpočetního modelování nutí ujasnit detaily, ukazuje mezery v porozumění možnost „manipulovat s časem a prostorem, vyzkoušet mnoho různých variací nikdo při tom neumírá ani netrpí levné (relativně vůči experimentům) samozřejmě však: nutné kombinovat s reálným sběrem dat, experimenty, . . . Úvod Systémová biologie Ekologie Příklady: na úrovni buněk, organismů vývoj: růst organismů formování vzorů diferenciace buněk vliv parametrů (např. teploty) na procesy chování tvorů, strategie: výběr lovišť výběr partnera Úvod Systémová biologie Ekologie Příklady: na úrovni druhu populační dynamika: predátor-kořist věková struktura imigrace, emigrace sociální chování: hejna, stáda, organizace mraveniště epidemie Úvod Systémová biologie Ekologie Příklady: na úrovni ekosystému evoluce: zkoumání evolučních mechanismů znečištění: šíření znečištění, vliv znečištění na biologické procesy, ozónová díra prostorové modely: vývoj krajiny, porostu (propojení s GIS) Úvod Systémová biologie Ekologie Úvod Bioinformatika „využití počítačů v biologickém výzkumu dva základní směry: objevování znalostí: získávání a analýza rozsáhlého množství dat např. sekvenování genomu modelování a simulace: vytváření a analýza modelů srovnávání výstupů simulací s realitou Úvod Systémová biologie Ekologie Úvod Systémová biologie důraz na vztahy, interakce využití výpočetních metod, modelů SBML – System Biology Markup Language in vivo, in vitro, in silico Úvod Systémová biologie Ekologie Úvod Systémová biologie – pro zájemce obor Bioinformatika, zaměření, laboratoř Sybila předměty PB050 Modelování a predikce v systémové biologii PA052 Úvod do systémové biologie PA054 Formální modely v systémové biologii Uri Alon (knihy, články, YouTube přednášky) Úvod Systémová biologie Ekologie Úvod Systémová biologie Úvod Systémová biologie Ekologie Úvod Systémová biologie Někteří lidé předpovídají éru systémové biologie, ve které je schopnost vytvářet matematické modely popisující funkci sítě genů a proteinů stejně důležitá jako tradiční laboratorní dovednosti. (D. Butler) Úvod Systémová biologie Ekologie C. Elegans (vulva) Vývoj vulvy u C. elegans Computational insights into Caenorhabditis elegans vulval development studium vývoje buněk – genetická informace je ve všech buňkách stejná, to jak se buňka vyvine závisí na „signálech , které si vyměňuje s okolními buňkami Caenorhabditis elegans – malý červ oblíbený objekt studia v biologii (modelový organismus) asi 1000 „invariantních buněk, zmapován osud každé buňky sekvenován genom Úvod Systémová biologie Ekologie C. Elegans (vulva) Úvod Systémová biologie Ekologie C. Elegans (vulva) Vývoj vulvy 6 buněk (vulval precursor cells) každá z nich se adaptuje na jednu ze tří možností (fate): primární (1’), sekundární (2’), ternární (3’) o tom, jaká možnost nastane se rozhoduje pomocí mezibuněčných signálů (tři druhy signálů) Úvod Systémová biologie Ekologie C. Elegans (vulva) Vývoj vulvy normální okolnosti ⇒ rozhoduje vzdálenost od „anchor cell (AC) standardní „konfigurace buněk 3’, 3’, 2’, 1’, 2’, 3’ mutace (změna genů, odstranění AC) ⇒ jiné konfigurace Úvod Systémová biologie Ekologie C. Elegans (vulva) Úvod Systémová biologie Ekologie C. Elegans (vulva) Klasické biologické modely biologické experimenty s různými mutacemi → pozorování → model statické diagramy bez přesné sémantiky znázorňují vztahy (umožnění/zakázání) neumožňují simulaci Úvod Systémová biologie Ekologie C. Elegans (vulva) Úvod Systémová biologie Ekologie C. Elegans (vulva) Model pomocí statecharts statecharts – formalismus pro modelování počítačových systémů (zejména design), součást UML formalizace biologického modelu: spustitelná, simulovatelná nutno doplnit chybějící detaily, skryté hypotézy vede k objevení nesrovnalostí mezi modelem a biologickými pozorováními, k upřesnění modelu, doplnění temporálních vztahů Úvod Systémová biologie Ekologie C. Elegans (vulva) Úvod Systémová biologie Ekologie C. Elegans (vulva) Úvod Systémová biologie Ekologie C. Elegans (vulva) Model vývoje vulvy: poznámka při absenci AC dochází k vzniku konfigurace 1’, 2’, 1’, 2’, 1’, 2’ původní model vede ke konfiguraci 1’, 1’, 1’, 1’, 1’, 1’ u reálného (biologického) systému buňky nikdy nejsou současně primární (1’) „vzájemné vyloučení Úvod Systémová biologie Ekologie Regulační sítě Genetic regulatory networks regulační sítě genové exprese geny se projevují tvorbou proteinů proteiny ovlivňují míru s jakou se geny projevují složité sítě vzájemných vztahů, zpětné vazby analýza poměrně složitá; hojné využití modelů Úvod Systémová biologie Ekologie Regulační sítě Základy DNA nese genetickou informaci RNA přenos informace mezi DNA a proteiny proteiny vykonávají většinu užitečné práce v buňce např. přenos kyslíku, katalyzace, ... regulace přepisu DNA, tj. regulace exprese genů Úvod Systémová biologie Ekologie Regulační sítě Úvod Systémová biologie Ekologie Regulační sítě Úvod Systémová biologie Ekologie Regulační sítě Modely boolean networks binární stavy pro vyjádření stavu (exprese genů, přítomnost proteinů), synchronní ∼ modely hardwaru kinetické modely diskrétní stavy (žádná exprese, mírná exprese, ...), asynchronnost ∼ modely protokolů diferenciální rovnice proměnné = koncentrace proteinů, míra exprese genů ∼ systémové modely hybridní modely kombinace diskrétních a spojitých prvků, stochastické jevy, ... ∼ modely vestavěných systémů Úvod Systémová biologie Ekologie Regulační sítě Příklad: rovnice Úvod Systémová biologie Ekologie Regulační sítě Příklad: stavový prostor Úvod Systémová biologie Ekologie Chemotaxe bakterií Chemotaxe bakterií chemotaxe = pohyb organismu dle výskytu chemikálií v jeho okolí chemotaxe bakterií – pohyb směrem k nejvyšší koncentraci potravy Úvod Systémová biologie Ekologie Chemotaxe bakterií Úvod Systémová biologie Ekologie Model struktury lesa Model struktury lesa prostorový model březového lesa mřížka, každé pole reprezentuje pole 15x15 metrů rekonstrukce mozaikovitého charakteru lesa reakce na mimořádné události (bouře) Úvod Systémová biologie Ekologie Model struktury lesa Jedno pole Úvod Systémová biologie Ekologie Model struktury lesa Stav simulace Úvod Systémová biologie Ekologie Další ukázky Hledání teritoria Úvod Systémová biologie Ekologie Další ukázky Shrnutí hlavní cíl modelování: porozumění světu výpočetní modelování vhodně doplňuje další metody zkoumání mnoho různých technik, mnoho úrovní abstrakce