ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ РАЗВИТИЯ СИСТЕМНОЙ БИОЛОГИИ И ЕЕ ВЛИЯНИЕ НА РАЗРАБОТКУ НОВЫХ ЛЕКАРСТВЕННЫХ ПРЕПАРАТОВ А.М. Михальский, В.Н. Новосельцев Институт проблем управления им В.А. Трапезникова РАН, г. Москва мая 2011 г., г. Долгопрудный

Системная биология Системная биология – новая тенденция на стыке биологических и технических наук. Это область междисциплинарных исследований, основанных на биологических знаниях, которая направлена на изучение сложных биологических систем. В основе системной биологии лежат достижения генетики. Системная биология развивается на основе математического моделирования генетических, метаболических, организменных и экологических сетей, а также методов теории управления и кибернетики.

Системная биология – система дисциплин

Системная биология связывает процессы на молекулярном уровне с событиями на индивидуальном и популяционном уровнях Рисунок из S.W. Edwards and R.J. Preston TOXICOL. SCIENCES 106(2), 312–318 (2008)

Системная биология связывает процессы на молекулярном уровне с событиями на индивидуальном и популяционном уровнях направление биологии направление математического моделирования

СИСТЕМНАЯ БИОЛОГИЯ - СОВОКУПНОСТЬ OMICS Системная биология включает в себя ряд наук – так называемых OMICS – геномику, эпигеномику и транскриптомику (анализ экспрессии генов и генетических цепей), протеомику (анализ процессов взаимодействия белков), и т.д. Она охватывает также организмы ( феномика, изучающая изменения организма на протяжении жизни) и сообщества организмов (биомика - изучение сообществ различных биомов – тундры, тайги и т.п.).

Феномика изучает организм как целостный объект живой природы. Целостность организма – его способность сохранять жизнедеятельность на протяжении жизни и в различных условиях среды. Целостность обеспечивается системами управления организма – в борьбе с неблагоприятными условиями существования, микро- и макрохищниками. Основными характеристиками целостности являются стационарность и гомеостаз. ФЕНОМИКА

Феномика изучает организм как целостный объект живой природы. Целостность организма – его способность сохранять жизнедеятельность на протяжении жизни и в различных условиях среды. Целостность обеспечивается системами управления организма – в борьбе с неблагоприятными условиями существования, микро- и макрохищниками. Основными характеристиками целостности являются стационарность и гомеостаз. ФЕНОМИКА

Феномика изучает организм как целостный объект живой природы. Целостность организма – его способность сохранять жизнедеятельность на протяжении жизни и в различных условиях среды. Целостность обеспечивается системами управления организма – в борьбе с неблагоприятными условиями существования, микро- и макрохищниками. Основными характеристиками целостности являются стационарность и гомеостаз. ФЕНОМИКА

Феномика изучает организм как целостный объект живой природы. Целостность организма – его способность сохранять жизнедеятельность на протяжении жизни и в различных условиях среды. Целостность обеспечивается системами управления организма – в борьбе с неблагоприятными условиями существования, микро- и макрохищниками. Основными характеристиками целостности являются стационарность и гомеостаз. ФЕНОМИКА

Главной биологической целью существования организмов является передача генов в следующее поколение – оставление потомства. Условием передачи генов в следующее поколение является стационарность на протяжении жизни. Для ее обеспечения в организме имеется специальный (пассивный) контур управления. Гомеостаз – постоянство внутренней среды – создается за счет механизмов активного управления, накладывающихся на этот контур. Гомеостаз возникает только тогда, когда он дает системе дополнительные преимущества. УНИВЕРСАЛЬНЫМ СВОЙСТВОМ ЖИВОГО ЯВЛЯЮТСЯ СТАЦИОНАРНОСТЬ И ГОМЕОСТАЗ

Главной биологической целью существования организмов является передача генов в следующее поколение – оставление потомства. Условием передачи генов в следующее поколение является стационарность на протяжении жизни. Для ее обеспечения в организме имеется специальный (пассивный) контур управления. Гомеостаз – постоянство внутренней среды – создается за счет механизмов активного управления, накладывающихся на этот контур. Гомеостаз возникает только тогда, когда он дает системе дополнительные преимущества. УНИВЕРСАЛЬНЫМ СВОЙСТВОМ ЖИВОГО ЯВЛЯЮТСЯ СТАЦИОНАРНОСТЬ И ГОМЕОСТАЗ

СТАЦИОНАРНОСТЬ И ГОМЕОСТАЗ ПОДДЕРЖИВАЮТСЯ ЧЕРЕЗ ЕСТЕСТВЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ОРГАНИЗМА

СТАЦИОНАРНОСТЬ ПРИНЦИПИАЛЬНАЯ СХЕМА ЕСТЕСТВЕННОЙ ТЕХНОЛОГИИ ОРГАНИЗМА

СТАЦИОНАРНОСТЬ ПРИНЦИПИАЛЬНАЯ СХЕМА ЕСТЕСТВЕННОЙ ТЕХНОЛОГИИ ОРГАНИЗМА

СТАЦИОНАРНОСТЬ ПРИНЦИПИАЛЬНАЯ СХЕМА ЕСТЕСТВЕННОЙ ТЕХНОЛОГИИ ОРГАНИЗМА

СТАЦИОНАРНОСТЬ ПРИНЦИПИАЛЬНАЯ СХЕМА ЕСТЕСТВЕННОЙ ТЕХНОЛОГИИ ОРГАНИЗМА

СТАЦИОНАРНОСТЬ ПРИНЦИПИАЛЬНАЯ СХЕМА ЕСТЕСТВЕННОЙ ТЕХНОЛОГИИ ОРГАНИЗМА Поддержание гомеостаза

БЛОК-СХЕМА ЕСТЕСТВЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ОРГАНИЗМА

ГОМЕОСТАЗ ШИРОКО РАСПРОСТРАНЁН В ПРИРОДЕ Осмотический гомеостаз у бокоплавов Gammarus

ГОМЕОСТАТИЧЕСКАЯ КРИВАЯ АДАПТИРУЕТСЯ К ВНЕШНИМ УСЛОВИЯМ Температура тела x [ C] в зависимости от среды v [ C] (1 – ночь, 2 – день). Американский опоссум ведет ночной образ жизни

Зависимость температуры тела самки питона x от температуры среды v: 1 – в обычных условиях, 2 – при производстве потомства Самка питона способна согревать яйца, поддерживая температуру внутри колец тела за счет мышечных сокращений. ГОМЕОСТАЗ УПРАВЛЯЕМ

ГОМЕОСТАЗ НЕ ОБЯЗАТЕЛЕН К животным, пользующимся преимуществами гомеостаза, относятся, в частности, теплокровные млекопитающие. Тем не менее, даже среди млекопитающих в Африке обнаружен вид голых землекопов (Heterocephalus glaber), не обладающий температурным гомеостазом.

МЕТОДЫ СИСТЕМНОЙ БИОЛОГИИ ПЕРСПЕКТИВНЫ ПРИ РЕШЕНИИ РАЗЛИЧНЫХ ЗАДАЧ Гомеостаз и здоровье: системная медицина (P4 medicine predictive, personalize, preventive, participant) Естественные технологии организма и старение. Естественные технологии организма и отравляющие вещества. Экология и гомеостаз. Искусственный организм. Разработка новых лекарственных препаратов.

ПЕРСПЕКТИВЫ Разработка новых лекарственных препаратов Компьютерное моделирование

МЕТОД СИСТЕМНОЙ БИОЛОГИИ В ФАРМИНДУСТРИИ

ПОИСК ЛЕКАРСТВ МЕТОДОМ КЛАССИФИКАЦИИ

Математическое моделирование

Решение задачи классификации при разработке новых лекарств Обучающая выборка Экзаменационная выборка Конструирование пространства описания Построение решающего правила Применение решающего правила Вещества- кандидаты

Методы системной биологии позволяют оптимизировать компьютерную разработку новых лекарств Обучающая выборка Экзаменационная выборка Конструирование пространства описания Выбор ЯДРА для преобразования пространства Построение решающего правила (модели) Применение решающего правила (модели) Вещества- кандидаты

Скалярное произведение в спрямляющем пространстве задаётся ядром (kernel trick)

Ядра бывают разные Полиномиальное Гауссово

Ядра бывают разные Полиномиальное Гауссово «Гомеостатическое» гомеостатическая способность организма при взаимном действии препаратов X и Y (модель естественных технологий)

ЗАКЛЮЧЕНИЕ Системная биология является средством объединения процессов, протекающих на разных уровнях организации, в разных масштабах времени и пространства Методы системной биологии лежат в основе новой дисциплины – системной медицины Системная биология позволяет повысить эффективность компьютерных методов разработки новых лекарственных препаратов, интегрируя дополнительные данные и информацию

ЗАКЛЮЧЕНИЕ Системная биология является средством объединения процессов, протекающих на разных уровнях организации, в разных масштабах времени и пространства Методы системной биологии лежат в основе новой дисциплины – системной медицины Системная биология позволяет повысить эффективность компьютерных методов разработки новых лекарственных препаратов, интегрируя дополнительные данные и информацию

ЗАКЛЮЧЕНИЕ Системная биология является средством объединения процессов, протекающих на разных уровнях организации, в разных масштабах времени и пространства Методы системной биологии лежат в основе новой дисциплины – системной медицины Системная биология позволяет повысить эффективность компьютерных методов разработки новых лекарственных препаратов, интегрируя дополнительные данные и информацию