Biologie systémů - nebo biologie systémů - je aplikace z systémová v biologii pro popis, ze znalosti jejích složek a vztahy mezi nimi, na fungování živé bytosti jako změna provozu v důsledku variací těchto dvou prvků .
Tato funkce je o to nezbytnější, že pomocí Edelman & Gally (2001) lze definovat biologický systém jako starý systém (několik miliard let), složitý a zdegenerovaný.
Podle Kitana ( 2002 ) zahrnuje biosystémy znalost komponentů a jejich strukturálních vztahů, jejich chování a charakteristik v různých prostředích nebo podmínkách, regulaci systému pro udržení rovnovážného stavu nebo hledání jiného, procesy, které umožňují vybudovat systém přizpůsobený k dané funkci.
Vědecká komunita má nyní nástroje, které jí umožňují podrobně prozkoumat nejen geny, ale také RNA , metabolity , proteiny , fungování buněčných kanálů, metabolické cykly atd. Jako základ údajů, které shromažďují výsledky těchto průzkumů. Hromadění velkých objemů dat ze specifických vysokorychlostních technologií, jako jsou čipy DNA, vyžaduje obnovení současných kapacit zpracování.
Lékařská komunita má také databáze, které hlásí klinické případy spojené s klinickými a terapeutickými prvky, jako je Velký atlas rakoviny . V zemědělské oblasti začínáme pozorovat vznik virtuálních semenných bank s modifikovanými rostlinnými genomy a souvisejícími podmínkami růstu (přizpůsobení se suchému nebo chladnějšímu podnebí, přirozená odolnost vůči určitému parazitu , zlepšená návratnost semen, bohatost zvýšeného obsahu bílkovin , atd.)
Počet interpretací a expertiz těchto dat také exponenciálně roste a je nutné je ukládat a analyzovat, případně potvrdit jejich experimentování v jiném prostředí (pamatujte, že Pavlovův pes nespojoval jídlo se zvukem zvonu, ale s Pavlovovým asistentem učňovského).
Systémová je metoda přístupem složitost , která je rozdělena do nejjednodušší, ne-li základní jednotky (systémová dolů shora dolů) na přestavěn z uspořádání jednoduchých prvků (systémová nahoru bottom-up).
Biosystém je částečně podobný vzestupné cestě, ale představil si třetí cestu, zvanou Sydney Brener nebo mid -out , jejíž původ je předmětem výzkumu se směrem dolů směřujícím k analýze charakteristik složek a směrem nahoru až definovat oblast platnosti výsledků výzkumu. Zejména umožňuje federovat a využívat heterogenní data tím, že si pro ně představuje místní strukturu.
Biosystemics klade důraz na tři koncepty: emergentní vlastnosti, stochastický aspekt a multidisciplinarita.
Rozvíjející se vlastnostiVznikající vlastnosti nazýváme ty, které „celek“ přidává k součtu vlastností částí, které jej tvoří (nebo někdy částečně nahrazují tento součet). Toto pozorování je rekurzivní. Serverový počítač má své vlastní vlastnosti, které převyšují součet „jednotlivec“ kvalit s integrovaným obvodem , programu napsané na list papíru, ventilátoru, a tak dále. a klastr serverů má zase vlastnosti (zabezpečení, rychlost provádění atd.), které izolovaný server nemá. Krejčovský „top“ má jiné vlastnosti než vlněné látky, nitě, krajky, kouzla atd. což umožnilo jeho výrobu, ale celý můj „vzhled“ vypadá odlišně od horní části, kraťasů, bot, šperků vzatých nezávisle na sobě. Stejně tak má sendvič novou chuť, která se liší od chuti každé z jeho složek.
Ve vědě klasicky rozlišujeme dedukci (matematiku) od indukce (jiné obory). Systémová přidá stochastické. Seneca tvrdil, že pokud mudrc (vědec) dokáže dokonale znát stav vesmíru v daném okamžiku, může z něj odvodit jeho vývoj až do konce věků. Stochastics toto tvrzení odmítá. Průběh věcí vždy změní mnoho nebezpečí.
Existují různé stochastické modely. Tady jsou dvě karikatury:
Stochastický prvek je to, co na úrovni jedince vysvětluje trizomii, při které dítě zdědí dva chromozomy od jednoho ze svých rodičů (namísto jediného) nebo na úrovni evoluce specializaci určitých chromozomů na pohlavní chromozomy protože to vysvětluje většinu artefaktů a přechodných chyb v biofyzikálních analyzátorech.
MultidisciplinaritaBiosystemics sdružuje biologové , počítačové vědce , matematiky i inženýry a techniky, kteří vyrábějí použité nástroje. Zvláštností určitých biologických nanotoolů je, že se mění s použitím: pračka nebo spektrometr se „opotřebovávají“ používáním, ale jejich chování se nemění. Nano-bio-počitadlo, které měří například počet prekancerózních buněk v organismu, reprodukuje se, a proto vidí jeho chování modifikované v průběhu času (čím více stárne, tím déle je každý reprodukční cyklus trochu jako by byl hlídačem která „označená“ hodina by každý měsíc odpovídala dalším pěti „skutečným“ minutám.)
Tato multidisciplinarita musí dodržovat tři pravidla: rovnost, sdílení a vzájemnost.
Rovností máme na mysli, že nejde o to, aby nebiologové byli ve službách biologů; přičemž posledně jmenovaní jsou svým způsobem vlastníci projektu a ostatní projektoví manažeři, ale mezi všemi musí být vytvořena symbióza, která uvolňuje společnou sílu pro navrhování nových konceptů.
Sdílením máme na mysli, že každý specialista musí mít kořeny ve své vlastní disciplíně (klasická biologie, informatika, matematika atd.) A nesmí se plně věnovat biosystémům. Musí sdílet svůj čas.
Vzájemností máme na mysli, že specialisté zabývající se biosystémy musí z tohoto zapojení odvodit inovace pro svou disciplínu. Například počítačoví vědci musí být schopni zlepšit zpracování otázek v přirozeném jazyce na základě výzkumu prováděného při hledání genetických vzorců. Ve spolupráci s matematiky a inženýry musí zlepšit genetické algoritmy (počítačové programy, které se přizpůsobují podnětům ve svém prostředí). Živé systémy se chovají a regulují jako továrny se zpětnovazebními smyčkami , nadbytečností, resetováním, které mohou inženýři použít ve výrobních oblastech ( rafinerie , jaderné elektrárny, pasivní dálnice, u nichž se předpokládá provoz v bezpečnosti vlaků bez řidiče). To, čemu říkáme bioinspirované nebo bioimetické výpočty ( neuronové sítě , genetické algoritmy, systémy pro spolupráci více lidí nebo napodobováním sociálního hmyzu, jako jsou včely nebo mravenci ), to musí využít. Pro matematiky je to digitální simulace .
Hned na začátku by mělo být objasněno, že cílem biosystémů není vytvoření jediného modelu, jakési Adama / Evy in silico, ale nezávislé vytvoření několika modelů (i když v počtech omezených z epistemologických i finančních důvodů) podle funkce nebo druhu.
Biosystémové modely se týkají studií na objektech, jejichž rozměry se pohybují od nanometrů ( molekulární nebo dokonce atomová biologie ) do deseti centimetrů ( medicína , veterinární umění ) a jsou napsány autory, kteří někdy používají různé jednotky (palce, centimetry). Poměry mezi těmito měřítky jsou někdy pouze vyjádřeny nebo označovány, někdy označovány jako jednotka. Pro měření stejného jevu jsou některé stupnice lineární, jiné logaritmické ; někdy někteří autoři považují za rozumnější transformovat spojitou proměnnou na booleovskou proměnnou nebo naopak sigmoidní křivku na sinusoid . Prostorové souřadnice lze vyjádřit v kartézských nebo polárních termínech .
Časové rámce jsou také velmi variabilní: od miliontiny sekundy pro molekulární událost do 28 dnů pro obnovu kožních buněk, po čtyři měsíce u erytrocytů („červené krvinky“), až po deset let u kostních buněk a několik miliard let pro vývoj živých věcí. Stejný jev může disociovat na pomalé a rychlé reakce: například cirkulace sodíku spojuje rychlé kanály, které se otevírají za 3 milisekundy, a trvalé kanály, které otevírají třetinu sekundy nebo dokonce půl sekundy, dokonce i některé z těchto kanálů jsou citlivé na nanomolární dávky tetrodotoxinu ( jed ) a jiné na mikromolární dávky.
Závažnost solidního karcinomu obecně spojuje tři indikátory (TNM), které odpovídají třem úrovním: lokální s velikostí nádoru často vyjádřenou na stupnici 4 úrovní), lokoregionální s počtem postižených lymfatických uzlin, metastatické s citát. V závislosti na konkrétním případě jsou tyto tři indikátory uvedeny tak, jak jsou, nebo přepracovány jako syntetický indikátor.
Je proto nutné standardizovat tato měření v rámci nástroje, který je automaticky převede, jakmile jsou zohledněny.
Druhá nezbytná standardizace má lexikální povahu. Jazyk je často nejednoznačný, zejména když člověk spojuje různé vesmíry, a ještě více, když prohloubení pole rychle vede k vytvoření nového světa . Například slovo parita nemá stejný význam v informatice (paritní bit) a v medicíně (parita hraje roli v epidemiologii rakoviny prsu: to je počet a načasování umístění dětí na svět pacientem. ). Totéž platí pro akronymy: HMM v podstatě označuje skryté Markovovy řetězce (model hiden markov) - které umožňují detekci genetických sekvencí a vzorů - ale také asi tucet biologických prvků. Teoreticky často existují standardizované pojmy, jejichž použití se doporučuje, ale autoři, zejména v pracovních dokumentech, nerespektují tato pravidla, která považují za omezující a zbytečná pro podmnožinu vědecké komunity, které se jimi zabývají.
Kromě toho nová disciplína, jako je postgenomika, vytváří více než tisíc neologismů ročně. Prohloubení tématu znamená, že jeden jev v okamžiku t označený jediným slovem P bude v okamžiku t + 1 disociován na dva odlišné jevy, z nichž jeden bude nadále nazýván P, zatímco druhý bude nazýván Pbis . V okamžiku t + 2 již čtenář nebude vědět, zda slovo P odkazuje na svůj původní význam nebo na jeho následný redukovaný význam. Tento jev není specifický pro specializované jazyky; to bylo obyčejné ve stabilizaci moderním francouzském XVI th a XVII th století .
Metathesauri a ontologie poskytují alespoň částečnou odpověď na tyto problémy. Metathesauri organizují slovní zásobu do strukturovaných vztahů, jako je „je“, „je součástí“, „je instance“: pštros je instance ptáka . Pták je oviparózní obratlovec. Zobák je součástí ptáka. Z toho může člověk i stroj odvodit, že pštros má zobák. S výjimkou prvního slova meta tezauru musí mít každé slovo alespoň jednoho rodiče a žádné slovo nemůže být rodičem jednoho z jeho rodičů, jak se nachází v malých slovnících (např. Játra = orgán vylučující žluč - žluč = tekutina vylučovaná játry).
Tyto ontologie přidávají métathésauri těžko logický formalismus. V biologii se ontologie vytváří pro daný problém v dané doméně. Některé neintegrují evoluční aspekt buňky v čase a prostoru, jiné se zaměřují na časový nebo prostorový aspekt, jiné na obojí. Ambicí biosystémů je vybudovat co největší ontologii bez zkreslení. Nejznámějším modelem je GO ( genová ontologie) narozená v roce 1998 z touhy spojit databáze příslušné genetiky kvasinek , Drosophily a myší , abychom tam našli společné sekvence poté, co jsme si uvědomili, že způsob, jak pochopit stejný jev nebo stejná funkce nebyla v těchto třech oblastech výzkumu stejná, jakkoli blízká. Dnes tato ontologie rozšířená na mnoho dalších druhů představuje zakládající prvek biosystémů.
V transkriptomu je dnes mnoho databází , ale je obtížné porovnat jejich obsah bez mezidruhového srovnávacího nástroje. Nástroj jako GO tak umožňuje spojit databáze molekulární genetiky věnované kvasinkám , Drosophile a myším, subjektům, které jsou „didakticky“ blízké, ale „pragmaticky“ vzdálené.
Tyto databáze musí být také předmětem těžby dat, aby se zvýraznily pravidla typu „jsou-li vlastnosti A, B a C pravdivé, pak jsou vlastnosti D a E obecně (a ne nutně)“. Dnešní stroje nemohou zpracovat množství informací; to je důvod, proč hledáme způsoby, jak omezit část, která má být zpracována v kontextu omezených extrakcí, které zůstávají složité pro implementaci a - ještě více - pro konfiguraci.
Složitost a velikost genomu jako jejich vývoj vyžaduje výstavbu velmi těžkých modelů . Ve výsledku se potýkáme se dvěma typy modelů: na jedné straně stále více vyvinuté modely, jak se zvyšuje síla procesorů, ale statické a popisné, a na druhé straně dynamické, ale stručnější modely. Evropským prototypem pro biosystémové modelování je model Radial Basis Function Gene (RBF-Gene) od Beslona a jeho týmu (2003), který sdružuje exony a introny , start & stop kodony a kde funkce genu závisí pouze na jeho sekvenci . Uživatelé tak mohou simulovat strukturální vývoj genomu (počet a velikost genů, distribuce genů na sekvenci, interakce mezi geny) a představit operátory, které nelze použít na klasické genetické algoritmy (duplikace sekvencí, inzerce , delece ).
Aby však bylo možné studovat určité funkce, není nutné modelovat všechny geny. Ke studiu evolučních vzorů můžeme model omezit na regulační funkce (inhibice / aktivace) jednoho druhého. Tyto sektorové modely (tento kvalifikátor je správnější než zjednodušený) jsou označovány jako nejpočetnější.
Interoperabilita modelůModel neexistuje v absolutních číslech: živí se existujícími daty a generuje nová. Je proto nutné jej navrhnout tak, aby mohl pořizovat data s existujícími datovými sklady ( datovými sklady ) a výkonem při dodržení stávajících softwarových a hardwarových komponent v různých laboratořích, jejichž rozpočty nelze rozšiřovat do nekonečna.
Jednou z otázek je počet modelů, které je třeba postavit: pokud se shodneme na nedostatečnosti jediného modelu, neznáme optimální. Například pro nejjednodušší živé bytosti existuje potřeba modelu prokaryot a jednoho z eukaryot nebo více nebo (jiná hypotéza) modelového typu spojeného s modely instancí, z nichž každý odpovídá určitému organismu? Je vhodné u stejného druhu (nebo u stejné funkce u člověka a vyšších zvířat) oddělit model umožňující pochopit „normální“ fungování s existujícími obtížemi při definování tohoto pojmu a modely simulující účinky škodlivých nebo příznivých účinků externí události?
Stávající návrhy na zodpovězení těchto otázek zdůrazňují, že časové a velikostní stupnice představují preferenční kritérium rozdělení na různé modely, které musí představovat společnou granularitu , aby úroveň výstupů jednoho mohla představovat vstupní úroveň jednoho. “Other.
Dnes víme, jak budovat knihovny modelů, které kombinují model, cíl modelu, co má nebo nesplnilo očekávání, která na něj byla kladena, další využití, které z něj vytvořily jiné týmy, a jejich komentáře. A samozřejmě jejich verze a limity počítače (vzorec umožňující vypočítat čas provádění programu) nebo matematika (limit výrazů, pevné pořadí nebo ne vzorců).
Grafika modelůJako každý jiný, i biosystémový model musí být schopen být graficky znázorněn. Chcete-li být ergonomické, tyto grafy musí být kvazi rovinné (oblouky mezi dvěma uzly nesmí protínají nebo, přesněji, protínají tak málo, jak je to možné), připomínají popsaná funkce (tradiční zastoupení Krebsova cyklu má tvar ‚a kruh a nikoli aspekt vývojového diagramu ), vyhledejte akce nebo jednotky v čase jejich překrytím do výšky nebo jejich vzájemným posunutím v horizontálním směru, povolte efekty přiblížení.
Pokud jde o ostatní pole, je nutná určitá standardizace na úrovni symbolů, barev a nabídek zobrazení (zvětšení, rotace, posunutí, seskupení a oddělení součástí), jako jsou počítačové primitivy.
Přenositelnost modelůSoftwarová část modelů musí být nezávislá na hardwarové platformě, na které běží. Ačkoli z počítačového hlediska je to spíše cíl než realita - protože pokroky různých softwarových komponent jsou rozloženy v čase, a jsou proto navrženy tak, aby využívaly veškeré bohatství nejnovějších serverů nebo jiného softwaru - je je nicméně nutné mít na paměti tuto zásadu, aby se odchýlila co nejméně.
Mnoho modelů nyní používá multiagentní systémy a mobilní automaty . V prvním případě jednotliví agenti obecně každý představují objekt (v počítačovém smyslu: molekulu , protein , buňku , orgán ) s jeho pravidly chování a jeho historií. Ve druhém případě je život asimilován do souboru samostatných buněk sám o sobě, ale které společně podmíňují budoucnost každé z ostatních. Minulost každé buňky nemusí být nutně zohledněna. Můžeme porovnat, zavedením stochastického aspektu, mobilní automaty s hráči sedícími u herního stolu v kasinu . Pokud má automatická sekera (racionální hráč Jx) 5 000 EUR , bude hrát jako automat (hráč), který má 5 000 EUR, aniž by se obával, zda se jedná o zisk z počáteční sázky 50 EUR nebo ztrátu z počáteční sázky EUR 500 000 . Zisk nebo ztráta ostatních automatů (hráčů) závisí na pravidlech, která Ax (Jx) považuje za rozumné vyhrát, a na pravidlech hry (například v ruletě není celková částka rozdělená mezi hráče stejná v závislosti na ať už existuje pouze 0 jako v Evropě nebo 0 a 00 (dvojnásobná nula) jako ve Spojených státech ), ale nic z toho, co se hraje na dalším stole a historie hráčů.
Od těchto modelů jsou očekávány odpovědi na základní otázky (původ eukaryotických buněk , stavba mitochondrií , interakce mezi proteiny v buněčném jádru ). Provádějí se studie, které u kvasinek určují, které geny jsou nezbytné pro jeho reprodukci v nepřátelském prostředí bohatém na živiny ; tyto geny by mohly (snad) odpovídat základům života definovaným jako schopnost reprodukce.
Farmaceutický průmysl (humánních a veterinárních) je zřejmě nejnáročnější zda bychom zachovat hypotézu, že trháky jsou již koncovkou koncept a že skutečný budoucí vývoj odvětví je šitý na míru . V této poslední hypotéze je jasné, že výroba více individualizovaných léků vyžaduje výrobní model. Mnoho běžných produktů však dnes nemůže být uvedeno na trh, protože v 1% (nebo dokonce 0,5%) případů se ukáží jako nebezpečné. Toto nebezpečí nesouvisí s léčivem samotným, ale s genetickou nebo fyziologickou konfigurací pacientů, kteří jej nevydrží. Pochopením toho, co jsou tyto zvláštnosti, a vytvořením způsobů, jak je zvýraznit, je pak možné předepsat drogu 99% pacientů, kteří z ní mohou mít prospěch.
Tradiční potravinářství má také zájem na zlepšení výtěžnosti pěstování rostlin (1 obilovin símě dnes dává mezi 300 a 400 semen před 2 nebo 3 v rámci římské říše a 5 8 až XVIII -tého století, ale to nestačí pokrýt rostoucí potřeby populace), což jim umožňuje přizpůsobit se teplejšímu podnebí, chladnějšímu, vlhčímu, suššímu, přirozeně odolávat parazitům nebo dokonce predátorům, stát se preventivně preventivní léčivou látkou nebo nabízet vegetariánům produkty obsahující všechny aminokyseliny a živiny, které se pouze nacházejí v masu zvířat.
Mohly by se objevit další průmyslové biotechnologie , které jsou prozatím stále víceméně sci-fi. Například hodně přemýšlíme o biopalivech nebo průmyslových biomateriálech .
Pokud jde o biopaliva , naplnění malého automobilu spotřebuje - pokud je vyrobeno z pšenice - tolik zrn, kolik spotřebuje Francouzka za rok. K vývoji tohoto řešení existují tři možnosti: zvětšit osetou plochu, zlepšit jednotkovou produkci zrna, ale také identifikovat geny a biologické cykly, které se používají k výrobě paliva, izolovat je, kultivovat v reaktorech identických s těmi, které jsou používané například při výrobě antibiotik .
Vlákno pavučin je silnější (když je spletené do pramenů) než kevlar a třikrát lehčí pro stejnou sílu. Pokud je nepředstavitelné chovat stáda pavouků, s nimiž by ti v hororových filmech byli jen příjemnými vzorky, a pak sbírat jejich síť jako hedvábí kokonu v renesanci , doufáme, že budeme schopni identifikovat, izolovat a využívat geny, které umožňují sekrece webu k nepřetržité produkci vlákna - ve dvojím smyslu termínu - bílkovin.