А.И.Михальский, Институт проблем управления РАМН

ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ РАЗВИТИЯ СИСТЕМНОЙ РАЗВИТИЯ СИСТЕМНОЙ

БИОЛОГИИ И ЕЕ ВЛИЯНИЕ БИОЛОГИИ И ЕЕ ВЛИЯНИЕ НА РАЗРАБОТКУ НОВЫХ НА РАЗРАБОТКУ НОВЫХ

ЛЕКАРСТВЕННЫХ ЛЕКАРСТВЕННЫХ ПРЕПАРАТОВПРЕПАРАТОВ

А.М. Михальский, В.Н. НовосельцевИнститут проблем управления им В.А. Трапезникова РАН, г. Москва

12-13 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 на

прав

лени

е би

олог

иинаправл

ение м

атемати

ческого мод

ели

рования

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

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

Жизненные процессы

ПРИНЦИПИАЛЬНАЯ СХЕМА ЕСТЕСТВЕННОЙ ТЕХНОЛОГИИ ОРГАНИЗМА


FH-показатель работы сердца; FG-показатель работы ЖКТ; FL-показатель работы печени;

Доставка

веществ

Пища

FG

FL FH

Кислород


Топливо

Окислитель



FH-показатель работы сердца; FP- показатель работы легких; FG-показатель работы ЖКТ; FК-показатель работы почек; FL-показатель работы печени;

Доставка веществ

Пища

FG

FL FH

FL

Кислород


Топливо

Отходы


FК FL



FH-показатель работы сердца; FP- показатель работы легких; FG-показатель работы ЖКТ; FК-показатель работы почек; FL-показатель работы печени; FT- показатель терморегуляции

Доставка веществ

Пища

FG

FL FH

FL

Кислород


Топливо

Отходы


FT

FК FL



Старение

Доставка

веществ

Пища

FG

FL FH

S

FL

Кислород


Топливо

Отходы


FT

FК FL

S - cтруктура системы; FH-показатель работы сердца; FP- показатель работы легких; FG-показатель работы ЖКТ; FК-показатель работы почек; FL-показатель работы печени; FT- показатель терморегуляции Поддержание гомеостаза


Поддержание гомеостаза

БЛОК-СХЕМА ЕСТЕСТВЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ОРГАНИЗМА

функций организма

почки

ЖКТ

Субстраты

Топливо

Энергия


Поддержание

жизненно-важных функций

организма

печень

крово- кровь

Легкие

обращение Крово-п

Отходы

Отходы

Терморегу- ляция

ГОМЕОСТАЗ ШИРОКО ГОМЕОСТАЗ ШИРОКО РАСПРОСТРАНЁН В ПРИРОДЕРАСПРОСТРАНЁН В ПРИРОДЕ

Осмотический гомеостаз у бокоплавов Gammarus

ГОМЕОСТАТИЧЕСКАЯ КРИВАЯ ГОМЕОСТАТИЧЕСКАЯ КРИВАЯ АДАПТИРУЕТСЯ К ВНЕШНИМ УСЛОВИЯМАДАПТИРУЕТСЯ 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 УПРАВЛЯЕМГОМЕОСТАЗ УПРАВЛЯЕМ

ГОМЕОСТАЗ НЕ ОБЯЗАТЕЛЕНГОМЕОСТАЗ 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.

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/0/02/Nacktmull.jpg

МЕТОДЫ СИСТЕМНОЙ БИОЛОГИИ МЕТОДЫ СИСТЕМНОЙ БИОЛОГИИ ПЕРСПЕКТИВНЫ ПРИ РЕШЕНИИ ПЕРСПЕКТИВНЫ ПРИ РЕШЕНИИ

РАЗЛИЧНЫХ ЗАДАЧРАЗЛИЧНЫХ 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.

ПЕРСПЕКТИВЫПЕРСПЕКТИВЫ

• Разработка новых лекарственных препаратов

Компьютерное моделирование

МЕТОД СИСТЕМНОЙ БИОЛОГИИ В МЕТОД СИСТЕМНОЙ БИОЛОГИИ В ФАРМИНДУСТРИИФАРМИНДУСТРИИ

ПОИСК ЛЕКАРСТВ МЕТОДОМ ПОИСК ЛЕКАРСТВ МЕТОДОМ КЛАССИФИКАЦИИКЛАССИФИКАЦИИ

ПОИСК ЛЕКАРСТВ МЕТОДОМ ПОИСК ЛЕКАРСТВ МЕТОДОМ КЛАССИФИКАЦИИКЛАССИФИКАЦИИ

Математическое моделирование

Решение задачи классификации при Решение задачи классификации при разработке новых лекарствразработке новых лекарств

Обучающая выборка

Экзаменационная выборка

Конструирование пространства описания

Построение решающего правила

Применение решающего правила

Вещества-кандидаты

Методы системной биологии позволяют Методы системной биологии позволяют оптимизировать компьютерную оптимизировать компьютерную

разработку новых лекарствразработку 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 Скалярное произведение в спрямляющем пространстве задаётся ядром (пространстве задаётся ядром (kernel trickkernel trick))

i

ii YΦXΦYXK ,

Ядра бывают разныеЯдра бывают разные

• Полиномиальное

• Гауссово

nTYXYXK 1,

22/exp, YXYXK

Ядра бывают разныеЯдра бывают разные

• Полиномиальное

• Гауссово

• «Гомеостатическое»

nTYXYXK 1,

22/exp, YXYXK

YXK ,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

А.И.Михальский, Институт проблем управления РАМН

Technology