نمذجة الأنظمة البيولوجية

📅 آخر تحديث: ٢ أغسطس ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٢ أغسطس ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 3 صور
الموسوعة الحرة

يُعدّ نمذجة الأنظمة البيولوجية مهمةً أساسيةً في علم الأحياء النظمي وعلم الأحياء الرياضي . [ أ ] يهدف علم الأحياء النظمي الحاسوبي [ ب ] [ 1 ] إلى تطوير واستخدام خوارزميات فعّالة ، وهياكل بيانات ، وأدوات تصوير وتواصل، بهدف نمذجة الأنظمة البيولوجية باستخدام الحاسوب. ويتضمن ذلك استخدام محاكاة حاسوبية للأنظمة البيولوجية، بما في ذلك الأنظمة الفرعية الخلوية (مثل شبكات الأيض والإنزيمات التي تُشكّل عمليات الأيض ، ومسارات نقل الإشارات، وشبكات تنظيم الجينات )، لتحليل وتصوير الروابط المعقدة لهذه العمليات الخلوية. [ 2 ]

قد تنشأ خاصية غير متوقعة لنظام معقد نتيجةً لتفاعل السبب والنتيجة بين أجزاء أبسط ومتكاملة (انظر التنظيم البيولوجي ). تُظهر الأنظمة البيولوجية العديد من الأمثلة المهمة على الخصائص الناشئة في التفاعل المعقد بين مكوناتها. تتطلب الدراسة التقليدية للأنظمة البيولوجية أساليب اختزالية يتم فيها جمع كميات من البيانات حسب الفئة، مثل التركيز بمرور الوقت استجابةً لمحفز معين. تُعد الحواسيب أساسية لتحليل هذه البيانات ونمذجتها. الهدف هو إنشاء نماذج دقيقة في الوقت الفعلي لاستجابة النظام للمؤثرات البيئية والداخلية، مثل نموذج خلية سرطانية لاكتشاف نقاط الضعف في مسارات الإشارات الخاصة بها، أو نمذجة طفرات قنوات الأيونات لمعرفة تأثيراتها على خلايا عضلة القلب، وبالتالي على وظيفة القلب النابض.

المعايير

يُعدّ تنسيق لغة ترميز بيولوجيا الأنظمة (SBML) المعيار الأكثر قبولًا على نطاق واسع لتخزين وتبادل النماذج في هذا المجال . [ 3 ] يتضمن موقع SBML.org دليلًا للعديد من حزم البرامج المهمة المستخدمة في بيولوجيا الأنظمة الحاسوبية. ويمكن استرجاع عدد كبير من النماذج المشفرة بتنسيق SBML من قاعدة بيانات BioModels . ومن لغات الترميز الأخرى ذات التركيز المختلف: BioPAX و CellML و MorpheusML . [ 4 ]

مهام محددة

نموذج خلوي

جزء من دورة الخلية
شبكة الغذاء لجزيرة الدب التي وضعها سمرهايز وإلتون عام 1923 ( تمثل الأسهم كائنًا حيًا يتم استهلاكه من قبل كائن حي آخر ).
سلسلة زمنية نموذجية لنموذج لوتكا-فولتيرا . لاحظ أن المجموعتين السكانيتين تُظهران سلوكًا دوريًا .

يُعدّ إنشاء نموذج خلوي مهمة بالغة الصعوبة في علم الأحياء النظمي وعلم الأحياء الرياضي . ويتضمن ذلك استخدام محاكاة حاسوبية للعديد من الأنظمة الخلوية الفرعية، مثل شبكات الأيض ، والإنزيمات التي تشمل عمليات الأيض والنسخ والترجمة ، وتنظيم وتحفيز شبكات تنظيم الجينات. [ 5 ]

إن الشبكة المعقدة لعمليات التفاعل/النقل الكيميائية الحيوية وتنظيمها المكاني تجعل من تطوير نموذج تنبؤي للخلية الحية تحديًا كبيرًا للقرن الحادي والعشرين، وقد أدرجته المؤسسة الوطنية للعلوم (NSF) على هذا النحو في عام 2006. [ 6 ]

قام علماء من جامعة ستانفورد ومعهد جيه كريج فينتر ببناء نموذج حاسوبي للخلية الكاملة لبكتيريا الميكوبلازما التناسلية ، بما في ذلك جميع جيناتها البالغ عددها 525 جينًا، ومنتجات الجينات، وتفاعلاتها، ونُشر في 20 يوليو 2012 في مجلة Cell. [ 7 ]

كان نموذج حاسوبي ديناميكي للإشارات داخل الخلايا هو الأساس الذي استندت إليه شركة Merrimack Pharmaceuticals لاكتشاف الهدف لدواء السرطان الخاص بها MM-111. [ 8 ]

الحوسبة الغشائية هي مهمة نمذجة غشاء الخلية على وجه التحديد .

محاكاة الكائنات متعددة الخلايا

يعمل مجتمع OpenWorm على تطوير محاكاة مفتوحة المصدر لديدان C. elegans على المستوى الخلوي . وقد تم حتى الآن بناء محرك الفيزياء Gepetto ، وإنشاء نماذج للشبكة العصبية وخلايا العضلات بصيغة NeuroML. [ 9 ]

طي البروتين

التنبؤ ببنية البروتين هو عملية تحديد البنية ثلاثية الأبعاد للبروتين انطلاقًا من تسلسل الأحماض الأمينية فيه ، أي تحديد البنية الثالثية للبروتين انطلاقًا من بنيته الأولية . ويُعدّ هذا أحد أهم أهداف المعلوماتية الحيوية والكيمياء النظرية . ويكتسب التنبؤ ببنية البروتين أهمية بالغة في الطب (على سبيل المثال، في تصميم الأدوية ) والتكنولوجيا الحيوية (على سبيل المثال، في تصميم إنزيمات جديدة ). ويتم تقييم أداء الطرق الحالية كل عامين من خلال تجربة CASP .

الأنظمة البيولوجية البشرية

نموذج الدماغ

مشروع الدماغ الأزرق هو محاولة لإنشاء دماغ اصطناعي من خلال الهندسة العكسية للدماغ الثديي وصولاً إلى المستوى الجزيئي. يهدف هذا المشروع، الذي أسسه معهد الدماغ والعقل التابع للمدرسة المتعددة التقنيات في لوزان ، سويسرا، في مايو 2005، إلى دراسة المبادئ المعمارية والوظيفية للدماغ. ويرأس المشروع مدير المعهد، هنري ماركرام. باستخدام حاسوب بلو جين العملاق الذي يعمل ببرنامج نيورون لمايكل هاينز ، لا تقتصر المحاكاة على شبكة عصبية اصطناعية فحسب ، بل تتضمن نموذجًا واقعيًا بيولوجيًا جزئيًا للخلايا العصبية . [ 10 ] [ 11 ] ويأمل مؤيدو المشروع أن يُسهم في نهاية المطاف في فهم طبيعة الوعي . يضم المشروع عددًا من المشاريع الفرعية، منها مشروع كاخال للدماغ الأزرق ، الذي يُنسقه مركز الحوسبة الفائقة والتصوير المرئي في مدريد (CeSViMa)، ومشاريع أخرى تُديرها جامعات ومختبرات مستقلة في المملكة المتحدة والولايات المتحدة وإسرائيل. يستند مشروع الدماغ البشري إلى عمل مشروع الدماغ الأزرق. [ 12 ] [ 13 ] وهو أحد المشاريع التجريبية الستة في برنامج أبحاث التقنيات الناشئة المستقبلية التابع للمفوضية الأوروبية، [ 14 ] ويتنافس على تمويل بقيمة مليار يورو.

نموذج الجهاز المناعي

شهد العقد الماضي ظهور عدد متزايد من عمليات محاكاة الجهاز المناعي. [ 15 ] [ 16 ]

الكبد الافتراضي

مشروع الكبد الافتراضي هو برنامج بحثي بقيمة 43 مليون يورو ممول من الحكومة الألمانية، ويتألف من سبعين مجموعة بحثية موزعة في جميع أنحاء ألمانيا. يهدف المشروع إلى إنتاج كبد افتراضي، وهو نموذج رياضي ديناميكي يمثل فسيولوجيا الكبد البشري وشكله ووظيفته. [ 17 ]

نموذج الشجرة

تستخدم الأشجار الإلكترونية عادةً أنظمة L لمحاكاة النمو. وتكتسب أنظمة L أهمية بالغة في مجال علم التعقيد والحياة الاصطناعية . ولا يزال البحث جارياً عن نظام مُتفق عليه عالمياً لوصف التغيرات في مورفولوجيا النبات على المستوى الخلوي أو النمطي. [ 18 ] وتُشرح خوارزميات توليد الأشجار الأكثر شيوعاً في ورقتي بحث "إنشاء وعرض أشجار واقعية" و "عرض الأشجار في الوقت الحقيقي " .

النماذج البيئية

نماذج النظام البيئي هي تمثيلات رياضية للنظم البيئية . وعادة ما تقوم بتبسيط الشبكات الغذائية المعقدة إلى مكوناتها الرئيسية أو مستوياتها الغذائية ، وتحديد هذه المكونات كميًا إما من حيث أعداد الكائنات الحية أو الكتلة الحيوية أو مخزون / تركيز عنصر كيميائي ذي صلة (على سبيل المثال، الكربون أو نوع من العناصر الغذائية مثل النيتروجين أو الفوسفور ).

النماذج في علم السموم البيئية

يهدف استخدام النماذج في علم السموم البيئية إلى فهم ومحاكاة وتوقع الآثار الناجمة عن المواد السامة في البيئة. تصف معظم النماذج الحالية هذه الآثار على مستوى واحد من مستويات التنظيم البيولوجي المختلفة (مثل الكائنات الحية أو التجمعات السكانية). ويتمثل أحد التحديات في تطوير نماذج تتنبأ بالآثار عبر مختلف المقاييس البيولوجية. يتناول كتاب "علم السموم البيئية والنماذج" بعض أنواع نماذج علم السموم البيئية، ويقدم روابط للعديد من النماذج الأخرى.

نمذجة الأمراض المعدية

من الممكن نمذجة تطور معظم الأمراض المعدية رياضياً لاكتشاف النتائج المحتملة للأوبئة أو للمساعدة في السيطرة عليها عن طريق التطعيم . يسعى هذا المجال إلى إيجاد معايير لمختلف الأمراض المعدية واستخدام هذه المعايير لإجراء حسابات مفيدة حول آثار برنامج التطعيم الجماعي .

انظر أيضاً

ملحوظات

  1. ↑ يُطلق عليها أحيانًا علم الأحياء النظري، أو علم الأحياء الجاف، أو حتى الرياضيات الحيوية.
  2. ↑ علم الأحياء النظمي الحسابي هو فرع يسعى إلى توليد فهم على مستوى النظام من خلال تحليل البيانات البيولوجية باستخدام التقنيات الحسابية.

مراجع

  1. ↑ أندريس كريتي، رولاند إيلز، علم الأحياء النظمي الحاسوبي، دار النشر الأكاديمية إلسيفير، 2006.
  2. ↑ تافاسولي، إيمان؛ غولدفراب، جوزيف؛ إيينغار، رافي (4 أكتوبر 2018). "مقدمة في بيولوجيا الأنظمة: الأساليب والمناهج الأساسية". مقالات في الكيمياء الحيوية . 62 (4): 487-500 . doi : 10.1042/EBC20180003 . ISSN 0071-1365 . PMID 30287586. S2CID 52922135 .   
  3. ^ كليب، ليبرمايستر، هيلبيج، كوالد وشابر. (2007). “معايير بيولوجيا الأنظمة – المجتمع يتحدث” (2007)، Nature Biotechnology 25(4):390–391.
  4. ↑ ستاروس ج، دي باك و، بروش ل، دويتش أ (يناير 2014). "مورفيوس: بيئة نمذجة سهلة الاستخدام لعلم الأحياء النظمي متعدد المقاييس ومتعدد الخلايا" . المعلوماتية الحيوية . 30 (9): 1331-1332 . doi : 10.1093/bioinformatics/btt772 . PMC 3998129. PMID 24443380 .  
  5. ^ كاربونيل-باليستيرو إم، دوران-نيبريدا إس، مونتانيز آر، سوليه آر، ماسيا جيه، رودريغيز-كاسو سي (ديسمبر 2014). "توصيف من أسفل إلى أعلى لوظائف النقل لتصميمات البيولوجيا التركيبية: دروس من علم الإنزيمات" . أبحاث الأحماض النووية . 42 (22): 14060–14069 . دوى : 10.1093/nar/gku964 . بمك 4267673 . بميد 25404136 .  
  6. ↑ الجمعية الأمريكية لتقدم العلوم
  7. ↑ كار، ج. (2012) نموذج حسابي للخلية الكاملة يتنبأ بالنمط الظاهري من النمط الجيني للخلية
  8. ↑ ماكدونا، سي إف (2012) النشاط المضاد للأورام لجسم مضاد ثنائي الخصوصية جديد يستهدف الوحدة السرطانية ErbB2/ErbB3 ويمنع تنشيط ErbB3 الناتج عن الهيرغولين. العلاجات الجزيئية للسرطان
  9. ↑ تنزيلات OpenWorm
  10. ↑ غراهام-رو، دنكان. "بدء مهمة بناء دماغ محاكى" ، نيو ساينتست ، يونيو 2005.
  11. ↑ بالمر، جيسون. محاكاة الدماغ أقرب إلى التفكير ، بي بي سي نيوز.
  12. ↑ مشروع الدماغ البشري. مؤرشف في 5 يوليو 2012، على موقع Wayback Machine
  13. ↑ فيديو لهنري ماركرام وهو يقدم مشروع الدماغ البشري في 22 يونيو 2012.
  14. ↑ الصفحة الرئيسية لمبادرة FET Flagships.
  15. ↑ باليكي، جيرزي (2004). "خوارزمية تطورية متعددة المعايير مع نموذج للجهاز المناعي للتعامل مع قيود تخصيص المهام" . الذكاء الاصطناعي والحوسبة المرنة - ICAISC 2004. سلسلة محاضرات في علوم الحاسوب. المجلد 3070. الصفحات 394-399 . doi : 10.1007/978-3-540-24844-6_57 . ISBN   978-3-540-22123-4.
  16. ↑ "محاكاة حاسوبية تحاكي الاستجابة المناعية للإنفلونزا" . تم الاطلاع عليه بتاريخ 19-08-2009 .
  17. ↑ "شبكة الكبد الافتراضية" . مؤرشفة من الأصل بتاريخ 30-09-2012 . تم الاطلاع عليها بتاريخ 14-10-2016 .
  18. ↑ "محاكاة نمو النبات" . مؤرشف من الأصل بتاريخ 2009-12-09 . تم الاطلاع عليه بتاريخ 2009-10-18 .

مصادر

  • أنتمان، إس إس؛ مارسدن، جيه إي؛ سيروفيتش، إل، محرران. (2009). علم وظائف الأعضاء الرياضي (  الطبعة الثانية). نيويورك، نيويورك: سبرينغر. ISBN 978-0-387-75846-6.
  • بارنز، دي جيه؛ تشو، دي. (2010)، مقدمة في نمذجة علوم الحياة ، سبرينغر فيرلاغ
  • مقدمة في نمذجة الأمراض المعدية من تأليف إميليا فينيكي وريتشارد جي وايت. كتاب تمهيدي حول نمذجة الأمراض المعدية وتطبيقاتها.

للمزيد من القراءة