http abeautifulwww com 2008 05 29 network-visualization-for-systems-biology Биофизика клетки Введение Михаил Пантелеев

http: //abeautifulwww. com/2008/05/29/network-visualization-for-systems-biology/ Биофизика клетки Введение Михаил Пантелеев

Что это такое? Биофизика клетки Биофизика сложных систем Системная биология Наука об: • устройстве сложных биологических систем • их регуляции • методах их изучения • методах воздействия на них • их возникновении в ходе эволюции

Особенности науки и курса 1. Работаем количественно 2. Работаем без априорных упрощений 3. Работаем в основном на уровне клетки и ее задач 4. Наука не устоявшаяся, и курс тоже непрерывно меняется

ЧАСТЬ 1. ПРОБЛЕМА СЛОЖНОСТИ

Вы знаете все ферменты и реакции. Вы знаете формулы химической кинетики. Загоняем в компьютер и наслаждаемся? http: //news. stanford. edu/news/2012/july/computer-model-organism-071812. html

Клетка www. cartage. org. lb

Что сложного имеется в клетке? 1. Гены 2. Белки 3. Структурные и прочие компоненты 4. Метаболиты 5. Реакции между ними всеми

Проблема биологической сложности 1. Большое количество компонентов в системах 2. Изобилие связей между компонентами на разных уровнях организации 3. Плохая охарактеризованность (причем практически перманентная) 4. Плохая воспроизводимость экспериментов и разброс между индивидуумами 5. Сложность составных частей 6. Комбинаторная сложность 7. Нестационарность во времени 8. Пространственная неоднородность, компартменты, диффузия

Как увеличить производство вещества? S 1 E 1 S 2

А если систему усложнить? S 1 E 1 S 2 E 2 S 3 E 3

А если сделать первую реакцию обратимой? S 1 E 1 S 2 E 2 S 3 E 3

А если еще усложнить? A B D C E

Регуляция одной реакции Схема реакции, катализируемой гликогенфосфорилазой. Е – гликогенфосфорилаза, Р – фосфат, G – гликоген, Р` - глюкозо-1 фосфат, G` – гликоген (без одного остатка глюкозы), А - АМФ

Метаболические пути клетки

ЧАСТЬ 2. НА КОЙ НАМ ЭТО НАДО?

Когда это важно на практике? 1. Создание новых лекарств и методов лечения 2. Создание методов диагностики 3. Все виды биоинженерии 4. Биотехнология 5. Экология 6. Высшая нервная деятельность и искусственный интеллект

Схема окисления этилового спирта биореактором на основе эритроцитов Этиловый спирт Ацетальдегид ADH - алкогольдегидрогеназа Ad. DH - альдегидрогеназа Ацетат Ad. DH

Схема окисления этилового спирта биореактором на основе эритроцитов НАД + Этиловый спирт НАДН+Н Ацетальдегид ADH - алкогольдегидрогеназа Ad. DH - альдегидрогеназа Ацетат Ad. DH

Схема окисления этилового спирта биореактором на основе эритроцитов LDH лактат НАД+ этанол ADH Гликолиз пируват НАДH + H+ ацетальдегид LDH – лактатдегидрогеназа ADH - алкогольдегидрогеназа Ad. DH - альдегидрогеназа глюкоза Ad. DH ацетат

Окисление этанола эритроцитами-биореакторами in vitro в зависимости от концентрации пирувата в среде. ● – эритроциты-биореакторы с 60 м. М пирувата в среде (30. 0 м. М/ч); □ – эритроцитыбиореакторы без добавления пирувата в среду (1. 8 м. М/ч). Апроксимация экспериментальных данных изображена сплошной кривой. Активность ферментов в клетках: 10. 2 IU/мл, 2. 6 IU/мл, 10. 4 IU/мл, для АДГ, Ад. ДГ и ЛДГ, соответственно. Гематокрит суспензий в среднем составлял 28%. Концентрация глюкозы в среде 16 м. М. Представлен один из типичных экспериментов (n=5). Тихонова А. 2010

ЧАСТЬ 3. ПУТИ К РЕШЕНИЮ

Пути ее решения 1. Сочетание теории и эксперимента 2. Специализированные приемы моделирования и исследования моделей 3. Специализированный дизайн эксперинтов 4. Использование вычислительных методов и баз данных 5. Использование высокопроизводительных экспериментальных методов 6. Использование особенностей биологических систем: устойчивость, модульность, функциональность - и, в конечном итоге, простота.

Подходы Экспериментальные Хранение и обработка данных Классические Высокопроизводительные Теоретические Математическое моделирование Прямое Обратное

Протеомика 1 Blood. 2004; 103: 2088 -2095

Протеомика 2 Анализ на масс-спектрометре Подготовка образцов http: //visualsonline. cancer. gov http: //genomics. energy. gov

http: //www. chem. purdue. edu/people/faculty. asp? item. ID=79

Разделы курса Раздел I. Стационарные системы Базовая система: эритроцит Темы: стационарные и гомогенные системы, сопряжение физических и биохимических процессов, метаболический контроль, временная иерархия, энергетика клетки, окислительно-восстановительный баланс, регуляция объема Раздел II. Нестационарные системы Базовая система 1: гемостаз Темы: нестационарные и пространственно-неоднородные системы, сигнализация, автоволны и диссипативные структуры, модульный анализ, эволюция сложных систем Базовая система 2: деление клетки Темы: биологические моторы, механика митоза, самоорганизация на уровне одиночных молекул, клеточный цикл