Informacija

Sintetinės / sistemų biologijos įvadinė literatūra

Sintetinės / sistemų biologijos įvadinė literatūra


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

Esu kompiuterių inžinierius (kompiuterių inžinerijos magistras), norintis pereiti į sintetinės / sistemų biologijos sritį. Turiu išsamų pasauliečio supratimą apie evoliuciją, genetiką, transkripciją ir kt., Tačiau mano akademinės studijos buvo informatikos, informatikos, kompiuterių inžinerijos ir matematikos srityse.

Ar kas nors turi gerą rekomendaciją dėl standartinės šios srities literatūros, kad galėčiau paspartinti?


Sistemų biologija

„Wingreen & Botstein“, kurie Prinstono universitete vykdo absolventų sistemų biologijos kursą, parašė pranešimą apie tai, kaip dėstyti šį dalyką (Wingreen & Botstein, 2006). Straipsnyje jie pabrėžia pagrindines sąvokas, kurios, jų nuomone, yra labai svarbios norint suprasti šiuolaikinę sistemų biologiją, ir dėsto kursą diskutuodami apie svarbius šios srities straipsnius.

Štai nuoroda… Wingreen, N. & Botstein, D. (2006) Atgal į ateitį: sistemų lygio biologų mokymas. „Nature Reviews“ molekulinė ląstelių biologija. 7 (11), 829-832.

Popierius, deja, nėra atviros prieigos, todėl tiems, kurie negali prieiti prie popieriaus Redaguoti: @uvesten rado nemokamą PDF kopiją! Žemiau išvardijau jų pasirinkimus kartu su pagrindine koncepcija, kurią, jų manymu, kiekvienas suteikia…

Tvirtumas (t. y. funkcijos išlaikymas nepaisant svyravimų)
Barkai, N. & Leibler, S. (1997) Tvirtumas paprastuose biocheminiuose tinkluose. Gamta. 387913-917.

Evoliucinė perspektyva
Eisenas, J. A. (1998) Filogenominis MutS baltymų grupės tyrimas. Nucleic Acids Res. 264291-4300.

„Microarray“ analizė (ir apskritai duomenų vizualizavimo svarba)
Eisen, M. B., Spellman, P. T., Brownas, P. O. & Botstein, D. (1998) Genomo masto ekspresijos modelių grupių analizė ir demonstravimas. Proc. Natl Acad. Sci. JAV. 9514863-14868.

Sistemos elementų individualumas:
Elowitz, M. B., Levine, A. J., Siggia, E. D. & Swain, P.S. (2002) Stochastinė genų ekspresija vienoje ląstelėje. Mokslas. 2971183-1186.

Didžiausia tikimybė
Felsenstein, J. (1981) Evoliuciniai medžiai iš DNR sekų: maksimalios tikimybės metodas. J. Mol. Evol. 17368-376.

Ultrajautrumas
Goldbeteris, A. ir Koshlandas, D. E. (1981) Padidėjęs jautrumas, atsirandantis dėl kovalentinio modifikavimo biologinėse sistemose. Proc. Natl Acad. Sci. JAV. 786840-6844.

Biofizinis modeliavimas
Hodgkinas, A. L. (1958) Kroonijos paskaita, joniniai judesiai ir elektrinis aktyvumas milžiniškose nervų skaidulose. Proc. R. Soc. Lond. B. Biol. Sci. 1481-37.

Specifiškumas
Hopfieldas, J.J. (1974) kinetinis korektūra: naujas mechanizmas, leidžiantis sumažinti klaidas biosintetiniuose procesuose, reikalaujančiuose didelio specifiškumo. Proc. Natl Acad. Sci. JAV. 714135-4139.

Atsitiktiniai procesai ir paskirstymai:
Luria, S. E. & Delbruck, M. (1943) Bakterijų mutacijos nuo viruso jautrumo iki atsparumo virusams. Genetika. 28491-511.

Stabilus perjungimas tarp būsenų:
Novick, A. & Wiener, M. (1957) Fermentų indukcija kaip „viskas arba nieko“ reiškinys. Proc. Natl Acad. Sci. JAV. 43553-566.

Sekos panašumas Smithas, T.F. & Waterman, M.S. (1981) Bendrų molekulinių sekų identifikavimas. J. Mol. Biol. 147195-197.


Sintetinė biologija

Gera vieta pradėti studijuoti šį dalyką yra sintetinės biologijos tinklas:


Turiu panašų išsilavinimą (CS pereinu prie sistemų biologijos) ir daug išmokau skaitydamas Eddos Klipp ir kt. knygą „Sistemų biologija: vadovėlis“ [1]. Tai labai gera įvairių pogrupių apžvalga ir parašyta taip, kad techninis protas yra draugiškesnis nei dauguma kitų su biologija susijusių knygų (t. Y. Glaustai, iki galo, nevengiantys formulių). Skyrius apie eksperimentines technikas yra tikras lobis, bent jau man didžiausias iššūkis buvo pripratimas prie būdų, kuriais galime pažvelgti į ląsteles.

Kitas tekstas, į kurį galėtumėte atkreipti dėmesį, yra Uri Alon „Įvadas į sistemų biologiją“, tačiau jis labai dinamiškas, orientuotas į modeliavimą ir suteiks jums mažiau apžvalgos.

[1] http://www.amazon.co.uk/Systems-Biology-Textbook-Edda-Klipp/dp/3527318747/ref=sr_1_1?ie=UTF8&qid=1339413559&sr=8-1

[2] http://www.amazon.com/Introduction-Systems-Biology-Mathematical-Computational/dp/1584886420


Neseniai išleista knyga „Garland Science for systems biology“ http://www.garlandscience.com/product/isbn/9780815344674

ir klasikos vadovėlis: Ląstelės fizinė biologija http://www.garlandscience.com/product/isbn/9780815341635


Aš ruošiausi sintetinės biologijos mokymo programai ne biologui ir radau puikų šaltinį prof. Scott Mohr (BU, Chemija) „Sintetinės biologijos pradžia“, kurią rasite čia:

http://openwetware.org/images/3/3d/SB_Primer_100707.pdf


Daugelis žmonių pereina prie sistemų biologijos iš matematikos/fizikos/informatikos srities ir jiems gali prireikti ląstelių biologijos vadovėlio, kad jie atnaujintų bendrąsias biologijos žinias.

*Dėl molekulinės biologijos žinių:*Išsamus ir patikimas biologijos tekstas absolventų lygmenyje yra Alberto „Molekulinė biologija“:

http://www.amazon.com/Molecular-Biology-Cell-Bruce-Alberts/dp/0815341059/ref=sr_1_1?ie=UTF8&qid=1361575051&sr=8-1&keywords=molecular+biology+of+the+cell

*Biochemijos žinių, ypač susijusių su medžiagų apykaitos keliais:*Labiau į biochemiją orientuotas „Voet & Voet“ vadovėlis, kuris yra labai išsamus: http://www.amazon.com/Biochemistry-BIOCHEMISTRY-VOET-Donald-Voet/dp/0470570954/ref=sr_1_1?s=books&ie=UTF8&qid = 1361575189 & sr = 1-1 & raktažodžiai = voet+biochemija


Sintetinė biologija

Sintetinė biologija suteikia pagrindą nagrinėti pagrindinius įgalinančius komponentus besiformuojančioje sintetinės biologijos srityje. Skyriuose, kuriuos pateikė šios srities lyderiai, aptariami įrankiai ir metodikos, sukurtos inžinerinėms biologinėms sistemoms įvairiais lygiais, įskaitant molekulinį, kelio, tinklo, visos ląstelės ir kelių ląstelių lygius. Knygoje pabrėžiami įdomūs praktiniai sintetinės biologijos pritaikymai, tokie kaip biokuro ir vaistų, dirbtinių ląstelių, sintetinių virusų ir dirbtinės fotosintezės mikrobų gamyba. Aptariami kompiuterių ir skaičiavimo projektavimo vaidmenys, taip pat ateities perspektyvos šioje srityje, įskaitant be ląstelių sintetinę biologiją ir inžinerines sintetines ekosistemas.

Sintetinė biologija yra naujų biologinių objektų, tokių kaip fermentai, genetinės grandinės ir ląstelės, projektavimas ir konstravimas arba esamų biologinių sistemų pertvarkymas. Ji remiasi molekulinės, ląstelių ir sistemų biologijos pažanga ir siekia transformuoti biologiją taip, kaip sintezė pakeitė chemiją ir integrinių grandynų dizainą pakeitė skaičiavimus. Elementas, skiriantis sintetinę biologiją nuo tradicinės molekulinės ir ląstelių biologijos, yra dėmesys pagrindinių komponentų, kuriuos galima modeliuoti, suprasti ir suderinti, kad jie atitiktų konkrečius veikimo kriterijus, projektavimą ir konstravimą, ir šių mažesnių dalių bei prietaisų surinkimas į didesnes integruotas sistemas. kurie išsprendžia specifines biotechnologijų problemas.


2 skyrius: Molekulinės biologijos pagrindai, genų inžinerija ir medžiagų apykaitos inžinerija (Michael X. Wang ir Huidong Shi).

3 skyrius: didelio našumo technologijos ir funkcinė genomika (Henry Wang ir Dorothea K. Thompson).

4 skyrius: Krūties vėžio navikų limfmazgių būklės numatymas naudojant genų raiškos modelius ir genominių signalų apdorojimą (Gordon Okimoto).

5 skyrius: nuo rekombinantinių genų iki rekombinantinių genų sistemų biologijai (Mitsuhiro Itaya).

6 skyrius: In silico Genomo masto metaboliniai modeliai: apribojimais pagrįstas metodas ir jo taikymai (Andrew Joyce ir Bernhard Palsson).

7 skyrius. Matematinis genetinių reguliavimo tinklų modeliavimas: atsakas į stresą Escherichia coli (Delphine Ropers, Hidde de Jong ir Johannes Geiselmann).

8 skyrius: Sisteminiai metodai molekulinėje diagnostikoje ir vaistų kūrime (Martin Latterich).

9 skyrius. Mielės kaip sistemų biologijos prototipas (Gautham Vemuri ir Jens Nielsen).

10 skyrius: Genomo masto konstravimas ir taikymas Silico metaboliniuose modeliuose, siekiant pagerinti įtampą (Sang Yup Lee, Jin Sik Kim, Hongseok Yun, Tae Yong Kim, Seung Bum Sohn, Hyun Uk Kim).

11 skyrius: Sintetinė biologija: inžinerijos panaudojimas bioinžinerijoje (Matthias Heinemann ir Sven Panke).

12 skyrius. Genų dizaino ir de novo genų konstravimo pagrindai (Marcusas Grafas, Thomasas Schoedlas ir Ralfas Wagneris).

13 skyrius: Savęs replikacija chemijoje ir biologijoje (Phil Holliger ir David Loakes).

14 skyrius: Sintetinis požiūris į reguliavimo ir medžiagų apykaitos grandines (Wilson W. Wong ir James C. Liao).

15 skyrius: Sintetiniai genetiniai tinklai (David Greber ir Martin Fussenegger).

16 skyrius: Biologinio tvirtumo teorija ir jos reikšmė vėžiui (Hiroaki Kitano).

17 skyrius: Nukleino rūgščių inžinerija (Wenlong Cheng, Liang Ding, Hisakage Funabashi, Nokyoung Park, Soong Ho Um, Jianfeng Xu ir Dan Luo).

18 skyrius: Galimi sintetinės biologijos pritaikymai jūrų mikrobų funkcinėje ekologijoje ir biotechnologijoje (Guangyi Wang ir Juanita Mathews).

19 skyrius: Apie esmines sistemų ir sintetinės biologijos pasekmes (Cliff Hooker).

20 skyrius: Neišspręstos sistemų ir sintetinės biologijos problemos (Pengcheng Fu ir Cliff Hooker).


Sintetinė biologija: inžinerijos taikymas gyvybės mokslams, siekiant sukurti racionaliai suprojektuotas biologines dalis, prietaisus ir sistemas

Redaktoriaus Huimino Zhao knyga „Sintetinė biologija: įrankiai ir taikymas“. , �mic Press/Elsevier, ਁst Edition, � ir#x000a0352 puslapiai. ISBN: 򠥸-0-12-394430-6.

Sintetinė biologija (SB) pastaraisiais metais sulaukė didelio dėmesio. Terminą “SB ” galima atsekti 1912 m. Iki St éphane Leduc ’ „La Biologie Synth“ ir#x000e9tique. Kita tiesioginė šio termino nuoroda randama 1974 m., Kai Waclaw Szybalski tik keliais sakiniais padėjo pamatus besiformuojančiai SB sričiai. Naujosios SB bangos tikslas - suprojektuoti ir sukurti biologiškai pagrįstas dalis, naujus prietaisus ir tinklus, taip pat pertvarkyti esamus natūralius biologinius kelius. Taigi SB gali duoti didelę technologinę naudą ir ekonomikos augimą.

Sintetinė biologija jau padarė didelį poveikį fundamentiniams ir taikomiesiems tyrimams. Šiuo metu ji plačiai taikoma daugelyje sričių, įskaitant mediciną, aplinką ir energetiką, žemės ūkį ir maisto pramonę. Pasirinktos gairės ir reikšmingi pasiekimai apima pilno mikrobų genomo atkūrimą (Gibson ir kt., 2010), mielių chromosomų sintezę (Dymond ir kt., 2011), o pastaruoju metu – mikrobų inžineriją. Saccharomyces cerevisiae gaminti didelį kiekį priešmaliarinio vaisto artemisinino pirmtako (Paddon ir kt., 2013).

Sintetinė biologija: įrankiai ir taikymas, redagavo Huimin Zhao (Ilinojaus universitetas), pateikia išsamią naujausių žinių apie SB apžvalgą ir glaustą apžvalgą (Zhao, 2013). Bendra knygos apimtis pagrįsta apžvalginiu straipsniu (Zhao, 2013), paskelbtu Wiley tarpdisciplininės apžvalgos: sistemų biologija ir medicina (Liang ir kt., 2011). Daugiau nei 300 puslapių, suskirstytų į 17 skyrių, Sintetinė biologija: įrankiai ir programos suburia minties lyderius ir pagrindinius SB tyrėjus, pateikdamas sistemingą ir integruotą pagrindinių SB sudedamųjų dalių nagrinėjimo sistemą.

Atėjo SB era. Kaip aiškiai aprašyta redaktoriaus įžangoje, SB remiasi molekulinės ir sistemų biologijos pažanga ir siekia padaryti revoliuciją gyvosios gamtos moksluose taip, kaip cheminė sintezė sukėlė revoliuciją chemijoje, o integrinių grandynų dizainas – skaičiavimo srityje. Be to, pastaraisiais metais eksponentiškai išaugo publikacijų apie SB skaičius. Todėl beveik neįmanoma išsamiai sekti SB literatūros skubėjimo. Be to, atsiradus SB, buvo sukurtos naujos ir patobulintos eksperimentinės priemonės ir metodai. Tačiau įdomesnės pagrindinio ir taikomojo tyrimo programos būtų naudingos, kad SB būtų lengvesnis, saugesnis ir labiau nuspėjamas. Todėl yra pagrįsta ir laiku surinkti ir sujungti įvairias SB tyrimų priemones, metodikas ir perspektyvas į vieną išsamią knygą.

Knygos suskirstymas į keturias gerai parinktas dalis (o ne į 17 įspūdingų skyrių) vilioja skaitytoją vienu metu skaityti teminį kelių skyrių skyrių, o ne visą knygą. Temų tvarka turi būti logiška. Kiekvienas skyrius prasideda esmine įžanga, leidžiančia skaityti skyrius nepriklausomai vienas nuo kito - tai savybė, kurią skaitytojai labai pripažins.

Pirmasis teminis skyrius, pavadintas “Sintezės ir inžinerijos įrankiai SB. ir kelių ląstelių lygiai. Be to, šiame skyriuje aptariamos DNR sintezės technologijos ir jų apribojimai, taip pat pateikiama pagrindinių baltymų inžinerijos metodų apžvalga. Skyrius baigiamas aprašant biologinių dalių standartizavimo ir moduliavimo iššūkius ir galimybes, o tai yra vienas iš pagrindinių SB bruožų. Antrajame teminiame skyriuje (5 skyrius ir#x020138) apžvelgiami matematinio modeliavimo metodai ir in silico įrankiai, kurie gali žymiai pagreitinti projektavimo procesą, taip pat sumažinti naujų įrenginių ir tinklų kūrimo išlaidas. Be to, šiame skyriuje pristatomas naujas skaičiavimo SB įrankis, Synthetic Biology Software Suite, o taip pat aptariami įvairūs sėkmingi pavyzdžiai, siekiant pabrėžti šių skaičiavimo įrankių ir metodų efektyvumą. Kitame skyriuje (9� skyriai) aptariamos įdomios praktinės SB programos. Šio skyriaus skyriuose apžvelgiamas galimas SB terapinis pritaikymas žmonių sveikatai ir ligoms bei vaistų mikrobų gamybai. Be to, šiame skyriuje aptariamas pramoninis SB panaudojimas biokuro mikrobų gamyboje ir iššūkiai, susiję su biokuro gamyba pramoniniu mastu. Be to, elegantiškai apžvelgiamos turimos bakterijų genomų projektavimo ir konstravimo technologijos ir strategijos bei naujausios pastangos analizuoti ir kurti mikrobų konsorciumus. Paskutiniame skyriuje (14� skyriai), Ateities perspektyvos, aprašoma dabartinė sintetinių arba dirbtinių ląstelių projektavimo ir konstravimo būsena. Šiame skyriuje taip pat pateikiama išsami naujausių SB be ląstelių pažangos apžvalga. Be to, jame pateikiama kelių įrankių, skirtų šviesos energijos konversijai ir anglies fiksavimui įvairiose nefotosintetinėse sistemose, naudojimo apžvalga. Be to, taip pat aprašomi naujausi sintetinių mikrobų ekosistemų kūrimo pokyčiai ir ateities perspektyvos. Galiausiai, nors rodyklė yra, pageidautina turėti žodyną.

Sintetinė biologija: įrankiai ir taikymas naudoja elegantiškų lentelių, paveikslėlių ir grafikų derinį, kad pateiktų sudėtingą informaciją taip, kad ji būtų prieinama ir suprantama skaitytojui. Visi skyriai yra meistriškai peržiūrėti ir puikiai cituojami. Apibendrinant galima pasakyti, kad knyga yra puikus dabartinės SB literatūros papildymas. Tai puikus kompanionas politikos formuotojams ir finansavimo agentūroms. Galiausiai, bet svarbiausia, Sintetinė biologija: įrankiai ir taikymas bus labai vertinami genetikų, molekulinių biologų, bioinformatikų, fizikų, chemikų ir bioinžinierių bei tų, kurie svarsto ateitį SB.


Įvadas į sistemų biologiją

puikus, gražiai parašytas ir organizuotas darbas, kuriame inžinerinis požiūris į sistemų biologiją. Alonas pateikia gražiai parašytus priedus, kurie aiškiai ir glaustai paaiškina pagrindines matematines ir biologines sąvokas, nesikišdami į pagrindinį tekstą. Jis pradeda nuo matematinio transkripcijos aktyvinimo aprašymo, o tada aprašo kai kuriuos pagrindinius transkripcijos tinklo motyvus (modelius), kuriuos galima sujungti į didesnius tinklus.. – Gamta

[Šis tekstas nusipelno] rimto bet kurio kiekybinio mokslininko, kuris tikisi sužinoti apie šiuolaikinę biologiją, dėmesio ... Jame nėra jokių išankstinių žinių apie biologiją ar net domėjimosi ja ... Paskutinis aspektas, kurį reikia paminėti, yra nuostabus pratimų rinkinys, pridedamas prie kiekvieno skyriaus. … Alono knyga turėtų tapti standartine magistrantų mokymo dalimi. – Fizika šiandien

Antrasis perkamiausio vadovėlio, parašyto studentams ir tyrėjams, antrasis leidimas ir toliau siūlo aiškų dizaino principų, reglamentuojančių biologinių sistemų struktūrą ir elgesį, pristatymą. Tai pabrėžia paprastus, pasikartojančius grandinės elementus, kurie sudaro ląstelių ir audinių reguliavimą. Šis leidimas, griežtai patikrintas klasėje, apima naujus skyrius apie įdomius pastarojo dešimtmečio pasiekimus.


Pokalbio apžvalga

Daktaras Janas van der Meeris pradeda įžangą į sintetinę biologiją. Šiame įvade į sintetinę biologiją jis paaiškina, kad DNR ir baltymų „dalis“ gali būti sujungtos, kad susidarytų biologinės grandinės, panašiai kaip elektros grandinės iš transformatorių, kondensatorių ir panašiai. Šios grandinės gali būti skirtos daugeliui pritaikymų sveikatos, žemės ūkio ir tt srityse. Van der Meer baigia savo kalbą, aprašydamas savo laboratorijos darbą kuriant biosensorines bakterijas, kurios gali išmatuoti toksiškus junginius aplinkoje. Pavyzdžiui, paprasta bakterinės ląstelės sistema, kuri šviečia esant arsenui, gali būti naudojama tiriant geriamąjį vandenį Bangladeše dėl didelio arseno kiekio.


Įvadinė literatūra sintetinei / sistemų biologijai - Biologija

Ši įžanga skirta trumpai apžvelgti pagrindinius biologijos principus. Jis skirtas inžinieriams ir fizikams, neturintiems biologijos žinių, tačiau besidomintiems sintetine biologija. Pagrindinių principų supratimas padės fizikui ir inžinieriui modeliuoti biologines sistemas ir taip pat bendrauti su biologais. Žinoma, yra daug puikių vadovėlių, skirtų išsamiems biologinių molekulinių procesų aprašymams, o skaitytojai, norintys išplėsti savo žinias po šios trumpos apklausos, raginami ieškoti daugiau informacijos atitinkamuose tekstuose.

Norint sukurti biologines sistemas, reikia suprasti dvi pagrindines sąvokas: kaip informacija teka biologinėse sistemose ir kaip valdomas šis informacijos srautas. Supratus šias sąvokas, iš esmės galima taikyti inžinerinius principus naujų biologinių sistemų projektavimas ir kūrimas: tai, ką vadiname sintetine biologija.

Biologija, žinoma, yra labai sudėtinga ir yra svarbių skirtumų, išskiriančių ją iš kitų inžinerinių disciplinų. Pirma, biologija nėra užprogramuota spausdintinėje plokštėje, todėl sąveikos negali būti užprogramuotos pagal jų fizinę padėtį, o sąveika grindžiama molekulių sąveika, atsirandančia sudėtingoje ląstelės aplinkoje. Antra, biologijai taikoma natūrali atranka, todėl ląstelėje žalingi pakeitimai bus atrinkti ir konkuruoti su populiacija. Šie evoliuciniai spaudimai netaikomi statant orlaivį, todėl nauji tvirtumo apibrėžimai yra svarbūs biologijai. Kitos sąvokos, tokios kaip sudėtingumas ir atsirandantis elgesys, inžinieriams gali būti žinomos, tačiau reikia žinoti, kaip jos gali atsirasti biologijoje ir koks gali būti jų poveikis.

Šiame skyriuje aprašomos pagrindinės inžinerijos sąvokos, tiesiogiai taikomos sintetinėje biologijoje. Sisteminis projektavimas yra pagrindinis sintetinės biologijos metodas. Tai aprašyta kartu su dalių, prietaisų ir sistemų koncepcija, sintetinės biologijos projektavimo ciklu ir modeliavimo metodais. Kitos svarbios sritys, susijusios su inžinerinių metodų taikymu, apima dalių registrą ir dalių apibūdinimą. Jos pagrindas yra žiniatinklio informacinių sistemų ir dalių duomenų šablonų koncepcija. Kitas svarbus sintetinės biologijos aspektas yra platformos technologijų kūrimas, kuris aptariamas atsižvelgiant į informacinę sistemą ir „BioCAD“ koncepciją. Paskutiniame skyriaus skyriuje aptariami kai kurie taikymo pavyzdžiai.

Francis Collins, direktorius, atsakingas už Nacionalinio sveikatos instituto žmogaus genomo projektą (žr. 3 skyrių), paskaitoje, praėjus maždaug dvejiems metams po paskelbimo „Nature“, teigė, kad „pradinis žmogaus genomo sekos nustatymas nebūtų buvęs įmanomas be plataus IRT ir kompiuterių naudojimo “. Šis teiginys apibendrina, kaip, viena vertus, inžinerijos, fizinių mokslų, IRT ir kompiuterijos, o biologijos, iš kitos pusės, susiliejimas sukūrė naują sintetinės biologijos discipliną.

Šiame skyriuje mes išnagrinėsime technologijas, kurios paskatino sintetinės biologijos augimą, ir aprašysime pagrindines technologijas, kuriomis grindžiama šiuolaikinė sintetinė biologija. Sintetinė biologija sujungia principus, bendrus visoms inžinerijos šakoms su biologijos ir chemijos mokslais. Pažiūrėsime, kaip šie inžineriniai principai apibrėžia sintetinę biologiją ir kaip biologijos ir chemijos pažanga per paskutinius XX amžiaus dešimtmečius sudarė sąlygas šiai temai atsirasti. Galiausiai paliesime būsimas technologijas, kurios gali apibrėžti naujos kartos sintetinės biologijos tyrimus.

Šiame skyriuje aptarsime sintetinės gyvybės ir minimalių ląstelių sąvokas. Į šią kategoriją patenka kai kurios prieštaringesnės ir verčiančios susimąstyti sintetinės biologijos ir šiuolaikinio mokslo temos, įskaitant sintetinių ląstelių kūrimą ir minimalios biologinės sistemos, kurią galima pavadinti gyvybe, paieškas. Galiausiai sintetinės biologijos „iš apačios į viršų“ tikslas – suteikti mums naujų ląstelių, kurios racionaliai sukurtos veikti kaip specializuota važiuoklė. Dėl įvairių priežasčių jie būtų naudingesni biotechnologijoms nei esamos natūralios ląstelės. Keletas sintetinių ląstelių pranašumų pavyzdžių:

  1. Sukurtų ląstelių naudojimas būtų labiau nuspėjamas nei natūralių ląstelių, kurių mes visiškai nesuprantame, naudojimas.
  2. Sintetinės ląstelės gali būti suprojektuotos taip, kad būtų supaprastintos tik vienai užduočiai, leidžiančios joms naudoti mažiau išteklių nei natūralios ląstelės.
  3. Ląstelės, pagamintos iš apačios į viršų, gali būti priklausomos nuo konkrečių sąlygų, kurios gali būti naudojamos siekiant užkirsti kelią jų klestėjimui už norimos aplinkos ribų.

„Iš apačios į viršų“ sintetinė biologija iš esmės skirstoma į dvi kategorijas: i) sintetines ląsteles, kurios yra naujai sukurti mikrobai, turintys visiškai sintetinę DNR, ir ii) gyvybę in vitro, kai kartu sujungtos biocheminės reakcijos gali atlikti gyvybės funkcijas ir veikti kaip dirbtinės. ląstelės. Norint suprasti abu šiuos dalykus, taip pat pirmiausia verta apsvarstyti klausimą: koks yra minimumas, kurį mes vadiname gyvenimu?

Sintetinė biologija laikosi hierarchinės struktūros, kurdama sistemas iš mažesnių komponentų. Žemiausiame lygyje yra dalys, kurios yra DNR gabalai, koduojantys vieną biologinę funkciją, pvz., Fermentą ar promotorių. Tada šios dalys sujungiamos į kitą sluoksnį - prietaisą, kuris yra dalių rinkinys, atliekantis norimą aukštesnės eilės funkciją, pavyzdžiui, gaminantis baltymą. Įrenginiai toliau sujungiami į sistemą, kuri gali būti apibrėžta kaip minimalus prietaisų skaičius, reikalingas atlikti

projektavimo etape nurodytas elgesys. Sistemos gali būti gana paprastos (pvz., Osciliatorius) arba sudėtingesnės (pvz., Medžiagų apykaitos būdų rinkinys gaminiui sintezuoti). Projektuojant ir modeliuojant dalys ir prietaisai paprastai laikomi moduliniais objektais. Tai reiškia, kad daroma prielaida, kad jie gali būti keičiami nepaveikiant kitų nepaliestų sistemos komponentų elgesio, o tai yra problemiška biologinėse sistemose. Sistemos turi būti įdiegtos važiuoklėje, kuri suteikia pagrindinę biologiją, reikalingą sistemai transkribuoti ir išversti, taip pat visus reikalingus fermentinius substratus. Važiuoklė gali būti gyvas organizmas (dar vadinamas in vivo įgyvendinimu) arba gali būti

abiotinis, suteikiantis tik būtinus biocheminius komponentus transkripcijai ir vertimui in vitro.

Šiame skyriuje nagrinėjame, kokį vaidmenį matematinis modeliavimas gali atlikti kuriant griežtą ir vis sudėtingesnį sintetinės biologijos sistemų projektą. Sintetinės biologijos tikslas yra racionaliai sukurti sudėtingas biologines sistemas iš gerai apibūdintų komponentų taip, kad, pavyzdžiui, būtų sukurta elektroninė grandinė. Inžinieriams jau seniai teko susidurti su kai kuriais iššūkiais, su kuriais dabar susiduria sintetiniai biologai. Matematinių modelių ir modeliais pagrįstų kompiuterinio projektavimo įrankių naudojimas yra plačiai paplitęs kitose inžinerijos srityse ir leido efektyviai projektuoti ir gaminti sudėtingas sistemas, sudarytas iš daugybės sąveikaujančių dalių.

Biologinės sistemos supa ir persmelkia kiekvieną žmogaus egzistencijos aspektą. Nenuostabu, kad naudojant sintetinę biologiją kuriant gyvas sistemas bus rasta daug pritaikymo sričių, turinčių didelį poveikį visuomenei. Šiame skyriuje išryškiname dabartines realaus pasaulio taikomųjų programų tyrimų sritis ir siūlome būsimas tyrimo sritis.

Biologinių technologijų panaudojimas naudingiems tikslams kilo nuo pačios žmogaus civilizacijos atsiradimo. Pavyzdžiui, žmonės tūkstančius metų naudojo mieles alui ir vynui fermentuoti. Šiandien biologinės technologijos aptinkamos įvairiose pramonės srityse. Sintetinė biologija žada paspartinti optimizuotų ir naujų biotechnologijų, kurios bus integruotos į daugelį pramonės ir gyvenimo aspektų, kūrimą.

Tarptautinis genetiškai modifikuotos mašinos (iGEM) konkursas vaidino svarbų vaidmenį kuriant sintetinę biologiją ir pabrėžia, kaip ši tema yra prieinama studentams ir net aukštųjų mokyklų studentams. Nors iGEM visų pirma yra mokymo priemonė, mokanti studentus dirbti laboratorinių projektų ir sintetinės biologijos principų, ji taip pat padarė daug reikšmingų pažangų sintetinės biologijos srityje, nes daugelis iGEM projektų bus paskelbti kaip svarbūs mokslo pasiekimai. Šiame skyriuje pateikiami pirmųjų šešerių konkurso metų iGEM projektų aprašymai, kurie yra geri sėkmingų ir įdomių sintetinės biologijos projektų pavyzdžiai.

Ar sintetinė biologija yra radikaliai nauja, ar tai tik molekulinės biologijos pratęsimas? Daugelis teigia, kad nors tai yra kitas didelis žingsnis biotechnologijų pažangos link, jis grindžiamas DNR sekos nustatymo ir manipuliavimo technologijomis, sukurtomis nuo 1970 m. Tačiau pastarąjį dešimtmetį labai pagerėjo daugelio šių technologijų naudojimo paprastumas, o tai kartu su sparčiai mažėjančiomis išlaidomis ir eksperimentinių metodų, kurie kažkada buvo laikomi elitinių biologų sritimi, sklaida sukėlė sintetinės biologijos sklaida tiek plačiai, tarp sektorių ir akademinių metodų, tiek giliai - nuo Nobelio premijos laureatų iki aukštųjų mokyklų studentų ir biologų mėgėjų.

Nors tai nėra būdinga tik sintetinei biologijai, tačiau lengva prieiga prie sintezuotos DNR, galingi kompiuteriai, padedantys kurti, ir šių technologijų platinimas vartotojams už „tradicinio biologo“ ribų rodo radikalų nukrypimą nuo tradicinės biologijos, o tai kelia unikalų saugumą. rūpesčius, taip pat klausimus apie nuosavybę. Be to, idėja panaudoti šias technologijas minimalioms ląstelėms ir gyviems organizmams sukurti sukėlė diskusijas apie tai, ar tokie siekiai yra etiški ir, be to, ką reiškia „kurti gyvenimą“. Pramoninis sintetinės biologijos pritaikymas, kuris išstumtų esamus kai kurių produktų šaltinius ir perduotų nuosavybę bei kontrolę didelių korporacijų rankoms, taip pat kelia susirūpinimą dėl šios technologijos naudos paskirstymo ir pasaulinės nelygybės.

Šiame skyriuje aptariame penkias pagrindines problemas, susijusias su sintetinės biologijos poveikiu visuomenei. Tai apima biologinį saugumą ir aplinkos biologinį saugumą bei biologinio įsilaužimo nuosavybės filosofines ir teologines problemas bei visuomenės vertę ir naują pasaulinę nelygybę.


1. Įvadas

Prieš maždaug 60 metų molekulinės biologijos pažadas skelbė, kad jei žinotume ir suprastume ląsteles sudarančių molekulių funkciją, galėtume suprasti ląsteles ir jų funkcijas. Nors iš esmės tai buvo tiesa (ir praktiškai kai kuriais atvejais), dėl didžiulio molekulių skaičiaus buvo labai sunku suprasti tiek daug vienu metu atliekamų funkcijų. Vienu metu išmatuoti daugumą šių molekulių tapo įmanoma per pastaruosius 10–15 metų sukūrus daugybę išradingų technologijų. Todėl dabar turime vis daugiau duomenų rinkinių, kurie tam tikromis sąlygomis suteikia tam tikrų ląstelių ir organizmų sudėtį. Daugelio šių komponentų cheminė sąveika dabar žinoma ir šios žinios sukelia rekonstruotus biocheminių reakcijų tinklus genomo mastu, kuriais grindžiamos įvairios ląstelių funkcijos. Taigi, įeikite į (molekulinę) sistemų biologiją.

Sistemų biologija nebūtinai yra orientuota į pačius komponentus, o į juos jungiančių ryšių pobūdį ir į funkcines biocheminių tinklų būsenas, atsirandančias dėl visų tokių jungčių rinkimo. Šios funkcinės tinklų būsenos atitinka stebimas fiziologines arba homeostatines būsenas. Užbaigti ryšį tarp visų cheminių ląstelės komponentų, jų genetinių pagrindų ir jo fiziologinių funkcijų yra (molekulinės) sistemų biologijos pažadas. Šis įsipareigojimas de facto sukuria mechanistinio genotipo ir fenotipo santykį.

Genotipo ir fenotipo santykis

Koncepcija Veisimo eksperimentais Gregoras Mendelis atrado, kad iš kartos į kartą perduodami atskiri informacijos kiekiai, lemiantys organizmo formą ir funkciją. Šie informacijos kvantai arba paketai dabar paprastai vadinami genais. Visų genų rinkinys ir konkreti jų versija, randama atskiro organizmo genome, vadinama jo genotipu. Organizmo forma ir funkcijos vadinamos jo fenotipu. Tai, kaip fenotipas yra susijęs su genotipu, yra pagrindinis biologijos ryšys.


1. Įvadas

Staiga sistemų biologija yra visur. Kas tai? Kaip tai atsirado? Jos augimo varomoji jėga yra didelio našumo (HT) technologijos, leidžiančios plačiu mastu išvardyti biologinius komponentus. Apibrėžus šių komponentų cheminę sąveiką, atsiranda rekonstruoti biocheminių reakcijų tinklai, kuriais grindžiamos įvairios ląstelių funkcijos. Taigi sistemų biologija nebūtinai yra orientuota į pačius komponentus, bet į juos jungiančių nuorodų pobūdį ir funkcines tinklų būsenas, atsirandančias dėl visų tokių nuorodų surinkimo. The stoichiometric matrix represents such links mathematically based on the underlying chemistry, and the properties of this matrix are key to determining the functional states of the biochemical reaction networks that it represents.

The Need for Systems Analysis in Biology

During the latter half of the 20th century, biology was strongly influenced by reductionist approaches that focused on the generation of information about individual cellular components, their chemical composition, and often their biological functions. Over the past decade, this process has been greatly accelerated with the emergence of genomics. We now have entire DNA sequences for a growing number of organisms, and we are continually delineating their gene portfolios. Although functional assignment to these genes is presently incomplete, we can expect that we will eventually have assigned and verified function for the majority of genes on selected genomes.


Introduction to Systems Biology

Introduction to Systems Biology is an introductory text for undergraduate and graduate students who are interested in comprehensive biological systems. The authors provide a broad overview of the field using key examples and typical approaches to experimental design. The volume begins with an introduction to systems biology and then details experimental omics tools. Other sections introduce the reader to challenging computational approaches to help understand biological dynamic systems. The final sections of the volume provide ideas for theoretical and modeling optimization in systemic biological researches, presenting most algorithms as implementations, including an up-to-date full range of bioinformatic programs and available successful applications.

Informative and cutting-edge, this volume presents a clear and intuitive illustration of the biological systemic approaches and introduces ideal computational methods for research. Introduction to Systems Biology is an indispensable resource, providing a first glimpse into the state-of-the-art in systems biology.


Žiūrėti video įrašą: Mokykla+. Biologija. 10 - 12 klasė. Ląstelių dalijimasis. Laisvės TV X (Gruodis 2022).