معلومة

المؤلفات التمهيدية للبيولوجيا التركيبية / النظم

المؤلفات التمهيدية للبيولوجيا التركيبية / النظم


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.

أنا مهندس كمبيوتر (ماجستير في هندسة الكمبيوتر) أتطلع إلى التحول إلى مجال البيولوجيا التركيبية / الأنظمة. لدي فهم شامل للناس العاديين للتطور ، وعلم الوراثة ، والنسخ ، وما إلى ذلك ، لكن دراساتي الأكاديمية كانت في مجالات المعلوماتية ، وعلوم الكمبيوتر ، وهندسة الكمبيوتر ، والرياضيات.

هل لدى أي شخص توصية جيدة للأدب القياسي في هذا المجال ، ليساعدني على مواكبة السرعة؟


بيولوجيا النظم

كتب Wingreen & Botstein الذي يدير دورة بيولوجيا أنظمة الخريجين في جامعة برينستون ورقة حول كيفية تدريس هذا الموضوع (Wingreen & Botstein ، 2006). يسلطون الضوء في الورقة على المفاهيم الأساسية التي يعتقدون أنها ضرورية لفهم بيولوجيا الأنظمة الحديثة ، ويقومون بتدريس الدورة من خلال مناقشة الأوراق الأساسية في هذا المجال.

ها هي المرجع ... Wingreen، N. & Botstein، D. (2006) العودة إلى المستقبل: تعليم علماء الأحياء على مستوى الأنظمة. مراجعات الطبيعة بيولوجيا الخلية الجزيئية. 7 (11) ، 829-832.

الورقة للأسف ليست مفتوحة الوصول ، لذلك بالنسبة لأولئك الذين لا يستطيعون الوصول إليها تحرير: عثرuvesten على نسخة PDF مجانية! لقد قمت بإدراج خياراتهم أدناه ، جنبًا إلى جنب مع المفهوم الأساسي الذي يعتقدون أن كل منهم يقدمه ...

المتانة (أي الاحتفاظ بالوظيفة على الرغم من التقلبات)
Barkai، N. & Leibler، S. (1997) المتانة في الشبكات البيوكيميائية البسيطة. طبيعة سجية. 387913-917.

منظور تطوري
أيزن ، ج. (1998) دراسة نسالة لعائلة بروتينات MutS. الدقة الأحماض النووية. 264291-4300.

تحليل ميكروأري (وبشكل أعم ، أهمية تصور البيانات)
آيزن ، إم بي ، سبيلمان ، بي تي ، براون ، ص. & Botstein، D. (1998) التحليل العنقودي وعرض أنماط التعبير الجينوم. بروك. ناتل أكاد. علوم. الولايات المتحدة الأمريكية. 9514863-14868.

فردية العناصر في النظام:
إلويتز ، إم بي ، ليفين ، إيه جيه ، سيجيا ، إي.دي. & سوين ، ب. (2002) التعبير الجيني العشوائي في خلية واحدة. علم. 2971183-1186.

احتمالية قصوى
Felsenstein، J. (1981) الأشجار التطورية من تسلسل الحمض النووي: نهج الاحتمالية القصوى. جيه مول. Evol. 17368-376.

الحساسية الفائقة
Goldbeter، A. & Koshland، D.E. (1981) تضخم الحساسية الناتجة عن التعديل التساهمي في النظم البيولوجية. بروك. ناتل أكاد. علوم. الولايات المتحدة الأمريكية. 786840-6844.

النمذجة الفيزيائية الحيوية
هودجكين ، أل (1958) محاضرة كرون ، الحركات الأيونية والنشاط الكهربائي في الألياف العصبية العملاقة. بروك. R. Soc. لوند. بيول. علوم. 1481-37.

النوعية
هوبفيلد ، ج. (1974) تصحيح التجارب المطبعية الحركية: آلية جديدة لتقليل الأخطاء في عمليات التخليق الحيوي التي تتطلب خصوصية عالية. بروك. ناتل أكاد. علوم. الولايات المتحدة الأمريكية. 714135-4139.

عمليات التوزيع العشوائية:
لوريا ، س. & Delbruck، M. (1943) طفرات البكتيريا من حساسية الفيروس إلى مقاومة الفيروس. علم الوراثة. 28491-511.

التبديل المستقر بين الدول:
Novick، A. & Wiener، M. (1957) Enzyme Induction كظاهرة الكل أو لا شيء. بروك. ناتل أكاد. علوم. الولايات المتحدة الأمريكية. 43553-566.

تشابه التسلسل سميث ، ت. ووترمان ، إم. (1981) تحديد التكرارات الجزيئية الشائعة اللاحقة. جيه مول. بيول. 147195-197.


علم الأحياء الاصطناعية

مكان جيد للبدء في هذا الموضوع هو شبكة البيولوجيا التركيبية:


لدي خلفية مماثلة (تحول علوم الكمبيوتر إلى بيولوجيا الأنظمة) وتعلمت الكثير من خلال قراءة "بيولوجيا الأنظمة: كتاب مدرسي" بقلم إيدا كليب وآخرون [1]. إنها نظرة عامة جيدة جدًا على المجالات الفرعية المختلفة وقد تمت كتابتها بطريقة أكثر ودية للعقل التقني من معظم الكتب الأخرى ذات الصلة بالحيوية (على سبيل المثال ، موجزة ، إلى حد بعيد ، لا تخجل من الصيغ). يعتبر القسم الخاص بالتقنيات التجريبية كنزًا حقيقيًا ، على الأقل بالنسبة لي كان التعود على الطرق التي يمكننا من خلالها النظر في الخلايا هو التحدي الأكبر.

هناك نص آخر قد تبحث عنه وهو "مقدمة في بيولوجيا الأنظمة" بقلم Uri Alon ، لكنه موجه نحو النمذجة الديناميكية للغاية وسيوفر لك نظرة عامة أقل.

[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


يوجد كتاب منشور حديثًا ، من Garland Science لبيولوجيا الأنظمة http://www.garlandscience.com/product/isbn/9780815344674

وكتاب مدرسي كلاسيكي: علم الأحياء الفيزيائي للخلية http://www.garlandscience.com/product/isbn/9780815341635


لقد كنت أعمل على إعداد منهج بيولوجي تركيبي لغير المتخصصين في علم الأحياء ووجدت موردًا رائعًا في "Primer for Synthetic Biology" للبروفيسور سكوت موهر (BU ، الكيمياء) المتاح هنا:

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


يتحول العديد من الأشخاص إلى بيولوجيا الأنظمة من خلفية الرياضيات / الفيزياء / علوم الكمبيوتر وقد يحتاجون إلى كتاب مدرسي في بيولوجيا الخلية لتحديثهم عن المعرفة العامة في علم الأحياء.

*لمعرفة علم الأحياء الجزيئي:* نص علم الأحياء الشامل والموثوق على مستوى الدراسات العليا هو "علم الأحياء الجزيئي للخلية" بواسطة ألبرتس:

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

*لمعرفة الكيمياء الحيوية ، خاصة فيما يتعلق بمسارات التمثيل الغذائي:* الكتاب المدرسي الأكثر تركيزًا على الكيمياء الحيوية هو كتاب Voet & Voet ، وهو شامل جدًا: http://www.amazon.com/Biochemistry-BIOCHEMISTRY-VOET-Donald-Voet/dp/0470570954/ref=sr_1_1؟s=books&ie=UTF8&qid = 1361575189 & sr = 1-1 & كلمات رئيسية = voet + الكيمياء الحيوية


علم الأحياء الاصطناعية

توفر البيولوجيا التركيبية إطارًا لفحص مكونات التمكين الرئيسية في مجال البيولوجيا التركيبية الناشئة. الفصول التي ساهم بها قادة في هذا المجال تتناول الأدوات والمنهجيات التي تم تطويرها لهندسة النظم البيولوجية على مستويات عديدة ، بما في ذلك المستويات الجزيئية والمسار والشبكة والخلية الكاملة والمستويات متعددة الخلايا. يسلط الكتاب الضوء على التطبيقات العملية المثيرة للبيولوجيا التركيبية مثل الإنتاج الميكروبي للوقود الحيوي والأدوية ، والخلايا الاصطناعية ، والفيروسات الاصطناعية ، والتمثيل الضوئي الاصطناعي. تتم مناقشة أدوار أجهزة الكمبيوتر والتصميم الحسابي ، بالإضافة إلى الآفاق المستقبلية في هذا المجال ، بما في ذلك البيولوجيا التركيبية الخالية من الخلايا وهندسة النظم البيئية الاصطناعية.

البيولوجيا التركيبية هي تصميم وبناء كيانات بيولوجية جديدة ، مثل الإنزيمات والدوائر الجينية والخلايا ، أو إعادة تصميم الأنظمة البيولوجية الموجودة. إنه يعتمد على التقدم في علم الأحياء الجزيئي والخلوي والأنظمة ويسعى إلى تحويل علم الأحياء بنفس الطريقة التي حوَّل بها التركيب الكيميائي وتصميم الدوائر المتكاملة الحوسبة. العنصر الذي يميز البيولوجيا التركيبية عن البيولوجيا الجزيئية والخلوية التقليدية هو التركيز على تصميم وبناء المكونات الأساسية التي يمكن نمذجتها وفهمها وضبطها لتلبية معايير أداء محددة وتجميع هذه الأجزاء والأجهزة الصغيرة في أنظمة متكاملة أكبر التي تحل مشاكل التكنولوجيا الحيوية المحددة.


الفصل الثاني: أساسيات علم الأحياء الجزيئي والهندسة الوراثية والهندسة الأيضية (مايكل إكس وانغ وهويدونغ شي).

الفصل 3: تقنيات عالية الإنتاجية وعلم الجينوم الوظيفي (هنري وانج ودوروثيا ك.طومسون).

الفصل 4: توقع حالة العقدة الليمفاوية لأورام سرطان الثدي باستخدام أنماط التعبير الجيني ومعالجة الإشارات الجينية (جوردون أوكيموتو).

الفصل الخامس: من الجينات المؤتلفة إلى الجينومات المؤتلفة لبيولوجيا الأنظمة (ميتسوهيرو إيتايا).

الفصل 6: في النماذج الأيضية على نطاق الجينوم السيليكو: النهج القائم على القيد وتطبيقاته (أندرو جويس وبرنارد بالسون).

الفصل السابع: النمذجة الرياضية لشبكات التنظيم الجيني: استجابات الإجهاد في الإشريكية القولونية (دلفين روبرز ، وهايد دي يونغ ، ويوهانس جيزلمان).

الفصل الثامن: مقاربات النظم في التشخيص الجزيئي وتطوير الأدوية (Martin Latterich).

الفصل 9: الخميرة كنموذج أولي لبيولوجيا الأنظمة (Gautham Vemuri and Jens Nielsen).

الفصل 10: بناء وتطبيقات مقياس الجينوم في نماذج Silico Metabolic لتحسين السلالة (Sang Yup Lee ، Jin Sik Kim ، Hongseok Yun ، Tae Yong Kim ، Seung Bum Sohn ، Hyun Uk Kim).

الفصل 11: البيولوجيا التركيبية: إدخال الهندسة في الهندسة الحيوية (ماتياس هاينمان وسفين بانكي).

الفصل 12: أسباب تصميم الجينات وبناء الجينات الجديدة (ماركوس جراف ، توماس شودل ورالف واجنر).

الفصل 13: التكرار الذاتي في الكيمياء والبيولوجيا (فيل هوليجر وديفيد لوكس).

الفصل 14: النهج التركيبي للدارات التنظيمية والاستقلابية (ويلسون دبليو وونج وجيمس سي لياو).

الفصل الخامس عشر: الشبكات الوراثية الاصطناعية (ديفيد جريبر ومارتن فوسينجر).

الفصل السادس عشر: نظرية المتانة البيولوجية وتداعياتها على السرطان (هيرواكي كيتانو).

الفصل 17: هندسة الأحماض النووية (ونلونغ تشنغ ، ليانغ دينغ ، هيساكاج فوناباشي ، نوكيونج بارك ، سونغ هو أم ، جيانفنغ شو ، ودان لو).

الفصل 18: التطبيقات المحتملة للبيولوجيا التركيبية في علم البيئة الوظيفية الميكروبية البحرية والتكنولوجيا الحيوية (جوانجي وانج وخوانيتا ماثيوز).

الفصل 19: في الآثار الأساسية للأنظمة والبيولوجيا التركيبية (كليف هوكر).

الفصل 20: القضايا البارزة في النظم والبيولوجيا التركيبية (Pengcheng Fu و Cliff Hooker).


البيولوجيا التركيبية: تطبيق الهندسة على علوم الحياة لتطوير الأجزاء والأجهزة والأنظمة البيولوجية المصممة بشكل منطقي

مراجعة كتاب عن علم الأحياء التركيبي & # x000a0: الأدوات والتطبيقات بواسطة & # x000a0Huimin Zhao ، محرر. ، & # x000a0Academic Press / Elsevier، & # x000a01st Edition، & # x000a02013، & # x000a0352 pages. رقم ال ISBN: & # x000a0978-0-12-394430-6.

اجتذبت البيولوجيا التركيبية (SB) اهتمامًا كبيرًا في السنوات الأخيرة. يمكن إرجاع المصطلح & # x0201cSB & # x0201d إلى عام 1912 إلى كتاب St & # x000e9phane Leduc & # x02019s لا Biologie Synth & # x000e9tique. تم العثور على الإشارة المباشرة التالية للمصطلح في عام 1974 عندما وضع واكلو زيبالسكي ، في جمل قليلة فقط ، أسس مجال SB الناشئ. تهدف الموجة الجديدة من SB إلى تصميم وهندسة الأجزاء القائمة على أساس بيولوجي والأجهزة والشبكات الجديدة بالإضافة إلى إعادة تصميم المسارات البيولوجية الطبيعية الحالية. ومن ثم ، فإن SB لديها القدرة على تقديم فوائد تكنولوجية كبيرة ونمو اقتصادي.

لقد أحدثت البيولوجيا التركيبية بالفعل تأثيرًا مدويًا في الأبحاث الأساسية والتطبيقية. حاليًا لديها تطبيقات واسعة في عدد من المجالات بما في ذلك الطب والبيئة والطاقة والزراعة والصناعات الغذائية. تشمل المعالم المختارة والإنجازات المهمة إعادة بناء جينوم ميكروبي كامل (جيبسون وآخرون ، 2010) ، وتوليف كروموسوم الخميرة (Dymond et al. ، 2011) ، ومؤخراً ، هندسة خميرة الخميرة لإنتاج مستويات عالية من السلائف الرئيسية لعقار الأرتيميسينين المضاد للملاريا (بادون وآخرون ، 2013).

البيولوجيا التركيبية: الأدوات والتطبيقات، الذي حرره Huimin Zhao (جامعة إلينوي) يوفر تغطية شاملة ونظرة عامة موجزة عن أحدث المعارف عن SB (Zhao ، 2013). يعتمد النطاق العام للكتاب على مقالة مراجعة (Zhao ، 2013) نُشرت في مراجعات وايلي متعددة التخصصات: بيولوجيا النظم والطب (ليانغ وآخرون ، 2011). في أكثر من 300 صفحة ، مقسمة إلى 17 فصلاً ، البيولوجيا التركيبية: الأدوات والتطبيقات يجمع قادة الفكر والباحثين الرائدين في SB ، من خلال توفير إطار عمل منهجي ومتكامل لفحص مكونات التمكين الرئيسية في SB.

لقد حان عصر SB. كما هو موضح في المقدمة من قبل المحرر ، يبني SB على التقدم في علم الأحياء الجزيئي والأنظمة ويسعى إلى إحداث ثورة في علوم الحياة بنفس الطريقة التي أحدث بها التخليق الكيميائي ثورة في الكيمياء وأحدث تصميم الدوائر المتكاملة ثورة في الحوسبة. بالإضافة إلى ذلك ، زاد عدد المنشورات عن SB بشكل كبير في السنوات الأخيرة. نتيجة لذلك ، يكاد يكون من المستحيل متابعة اندفاع أدب SB بالتفصيل. علاوة على ذلك ، ترافق ظهور SB مع تطوير أدوات ونهج تجريبية جديدة ومحسنة. ومع ذلك ، فإن التطبيقات الأكثر إثارة في البحث الأساسي والتطبيقي ستكون مفيدة لجعل SB أسهل وأكثر أمانًا وأكثر قابلية للتنبؤ. لذلك ، من المناسب وفي الوقت المناسب جمع وتقريب أدوات البحث المختلفة والمنهجيات والتوقعات الخاصة ببحوث SB في كتاب شامل واحد.

إن تنظيم الكتاب إلى أربعة أقسام مختارة جيدًا (بدلاً من 17 فصلاً مهيبًا) يجذب القارئ إلى قراءة قسم موضوعي من عدة فصول في وقت واحد ، بدلاً من الكتاب بأكمله. يهدف ترتيب الموضوعات إلى تمثيل تقدم منطقي. يبدأ كل فصل بمقدمة أساسية تتيح قراءة الفصول بشكل مستقل عن بعضها البعض ، وهي ميزة سيقدرها القراء بشدة.

القسم الأول الموضوعي بعنوان & # x0201cSynthesis and Engineering Tools in SB. & # x0201d هذا القسم (الفصول 1 & # x020134) يتناول أحدث الأدوات والأساليب التجريبية المطورة لهندسة النظم البيولوجية في الجزيئية والخلوية ، ومستويات متعددة الخلايا. بالإضافة إلى ذلك ، يناقش هذا القسم تقنيات تخليق الحمض النووي وحدودها ، بينما يقدم أيضًا نظرة عامة على الطرق الرئيسية لهندسة البروتين. يُختتم القسم بوصف التحديات والفرص في التوحيد القياسي والوحدة النمطية للأجزاء البيولوجية ، والتي تعد واحدة من السمات المميزة الرئيسية لـ SB. يستعرض القسم الموضوعي الثاني (الفصول 5 & # x020138) مناهج النمذجة الرياضية ، و في السيليكو الأدوات التي يمكنها تسريع عملية التصميم بشكل كبير ، فضلاً عن تقليل تكلفة تطوير الأجهزة والشبكات الجديدة. بالإضافة إلى ذلك ، يقدم هذا القسم أداة SB حسابية جديدة ، وهي مجموعة برامج البيولوجيا التركيبية ، بينما تتم أيضًا مناقشة مجموعة متنوعة من الأمثلة الناجحة لتسليط الضوء على فعالية هذه الأدوات والأساليب الحسابية. يتعامل القسم التالي (الفصول 9 & # x0201313) مع التطبيقات العملية المثيرة لـ SB. تقدم فصول هذا القسم نظرة عامة على التطبيقات العلاجية المحتملة لـ SB على صحة الإنسان والمرض ، وعلى الإنتاج الميكروبي للمستحضرات الصيدلانية. بالإضافة إلى ذلك ، يناقش هذا القسم التطبيق الصناعي لـ SB في الإنتاج الميكروبي للوقود الحيوي ، والتحديات المرتبطة بإنتاج الوقود الحيوي على نطاق صناعي. علاوة على ذلك ، فإن التقنيات والاستراتيجيات المتاحة لتصميم وبناء الجينومات البكتيرية ، والجهود الأخيرة لتحليل وإنشاء اتحادات ميكروبية يتم استعراضها أيضًا بأناقة. القسم الأخير (الفصول 14 & # x0201317) ، آفاق المستقبل ، يصف الوضع الحالي لتصميم وبناء الخلايا الاصطناعية أو الاصطناعية. يوفر هذا القسم أيضًا نظرة عامة شاملة على التطورات الحديثة في SB الخالية من الخلايا. علاوة على ذلك ، فإنه يوفر نظرة عامة على استخدام العديد من الأدوات لهندسة تحويل الطاقة الضوئية وتثبيت الكربون في مضيفات متنوعة غير ضوئية. علاوة على ذلك ، تم وصف التطورات الأخيرة والتوقعات المستقبلية في هندسة النظم البيئية الميكروبية الاصطناعية. أخيرًا ، على الرغم من وجود فهرس ، فإن المسرد سيكون مرغوبًا فيه.

البيولوجيا التركيبية: الأدوات والتطبيقات يستخدم مجموعة من الجداول والأشكال والرسوم البيانية الأنيقة لتقديم معلومات معقدة بطريقة يسهل على القارئ الوصول إليها وفهمها. تمت مراجعة جميع الفصول بمهارة واستشهاد عالية. باختصار ، يعد الكتاب إضافة ممتازة إلى الأدبيات الحالية حول SB. إنه الرفيق المثالي لصانعي السياسات ووكالات التمويل. أخيرًا ، ولكن الأهم من ذلك ، البيولوجيا التركيبية: الأدوات والتطبيقات سيكون موضع تقدير كبير من قبل علماء الوراثة ، وعلماء الأحياء الجزيئية ، وعلماء المعلومات الحيوية ، وعلماء الفيزياء ، والكيميائيين ، والمهندسين الأحيائي ، وأولئك الذين يفكرون في مستقبل في SB.


مقدمة في بيولوجيا الأنظمة

عمل رائع ومكتوب بشكل جميل ومنظم يأخذ نهجًا هندسيًا لبيولوجيا الأنظمة. يقدم ألون ملاحق مكتوبة بشكل جيد لشرح المفاهيم الرياضية والبيولوجية الأساسية بوضوح وإيجاز دون التدخل في النص الرئيسي. يبدأ بوصف رياضي لتنشيط النسخ ثم يصف بعض أنماط (أنماط) شبكة النسخ الأساسية التي يمكن دمجها لتشكيل شبكات أكبر. – طبيعة سجية

[يستحق هذا النص] اهتمامًا جادًا من أي عالم كمي يأمل في التعرف على علم الأحياء الحديث ... فهو يفترض عدم وجود معرفة مسبقة أو حتى اهتمام بعلم الأحياء ... أحد الجوانب الأخيرة التي يجب ذكرها هي مجموعة التمارين الرائعة التي تصاحب كل فصل. ... يجب أن يصبح كتاب ألون جزءًا أساسيًا من تدريب طلاب الدراسات العليا. – الفيزياء اليوم

يستمر الإصدار الثاني من هذا الكتاب المدرسي الأكثر مبيعًا ، والذي كتب للطلاب والباحثين ، في تقديم عرض تقديمي واضح لمبادئ التصميم التي تحكم بنية وسلوك الأنظمة البيولوجية. يسلط الضوء على عناصر الدائرة البسيطة المتكررة التي تشكل تنظيم الخلايا والأنسجة. تم اختبار هذا الإصدار بصرامة في الفصول الدراسية ، ويتضمن فصولًا جديدة عن التطورات المثيرة التي تم إحرازها في العقد الماضي.


نظرة عامة على الحديث

يبدأ الدكتور جان فان دير مير بإعطاء مقدمة عن البيولوجيا التركيبية. من خلال هذه المقدمة للبيولوجيا التركيبية ، يوضح أنه يمكن تجميع "أجزاء" الحمض النووي والبروتينات معًا لتشكيل دوائر بيولوجية بطريقة مماثلة لصنع الدوائر الكهربائية من المحولات والمكثفات وما شابه ذلك. يمكن تصميم هذه الدوائر للعديد من التطبيقات في الصحة والزراعة وما إلى ذلك. يختتم فان دير مير حديثه بوصف العمل من مختبره لهندسة بكتيريا الاستشعار الحيوي التي يمكنها قياس المركبات السامة في البيئة. على سبيل المثال ، يمكن استخدام نظام بسيط لخلية بكتيرية ، يتوهج بوجود الزرنيخ ، لاختبار مستويات عالية من الزرنيخ في مياه الشرب في بنغلاديش.


المؤلفات التمهيدية لبيولوجيا التركيبية / النظم - علم الأحياء

تهدف هذه المقدمة إلى تقديم لمحة موجزة عن المبادئ الأساسية التي تكمن في صميم علم الأحياء. إنه مخصص للمهندسين وعلماء الفيزياء الذين ليس لديهم أي معرفة بالبيولوجيا ولكنهم مهتمون بالبيولوجيا التركيبية. سيساعد فهم المبادئ الأساسية عالم الفيزياء والهندسة على نمذجة الأنظمة البيولوجية وأيضًا التواصل مع علماء الأحياء. هناك بالطبع العديد من الكتب المدرسية الممتازة المخصصة للأوصاف التفصيلية للعمليات الجزيئية التي تحدث في علم الأحياء ، ويتم تشجيع القراء الذين يرغبون في توسيع نطاق معرفتهم إلى ما بعد هذا الاستطلاع الموجز على البحث عن مزيد من التفاصيل في النصوص ذات الصلة.

هناك نوعان من المفاهيم الأساسية التي تحتاج إلى فهمها إذا كنت ترغب في أن تكون قادرًا على هندسة أنظمة بيولوجية: كيف تتدفق المعلومات في الأنظمة البيولوجية وكيف يتم التحكم في تدفق هذه المعلومات ، من خلال فهم هذه المفاهيم ، يمكن للمرء ، من حيث المبدأ ، تطبيق المبادئ الهندسية على تصميم وبناء أنظمة بيولوجية جديدة: ما نسميه البيولوجيا التركيبية.

علم الأحياء ، بالطبع ، معقد للغاية وهناك اختلافات مهمة تميزه عن التخصصات الهندسية الأخرى. أولاً ، علم الأحياء غير مبرمج على لوحة دوائر مطبوعة ، لذلك لا يمكن برمجة التفاعلات من خلال موقعها المادي ، بل تعتمد التفاعلات على التفاعلات بين الجزيئات التي تحدث في البيئة المعقدة للخلية. ثانيًا ، يخضع علم الأحياء للانتقاء الطبيعي ، بحيث يتم اختيار التعديلات الضارة بالخلية والتنافس عليها خارج السكان. لا تنطبق هذه الضغوط التطورية عند بناء طائرة ، لذا فإن التعريفات الجديدة للقوة وثيقة الصلة بالبيولوجيا. قد تكون مفاهيم أخرى مثل التعقيد والسلوك الناشئ مألوفة للمهندسين ، ولكن يجب أن يكون المرء على دراية بكيفية ظهورها في علم الأحياء وما هي آثارها.

يصف هذا الفصل المفاهيم الأساسية في الهندسة والتي لها تطبيقات مباشرة في البيولوجيا التركيبية. التصميم المنهجي هو نهج رئيسي في علم الأحياء التركيبي. يوصف هذا ، جنبًا إلى جنب مع مفهوم الأجزاء والأجهزة والأنظمة ، ودورة تصميم البيولوجيا التركيبية وتقنيات النمذجة. تشمل المجالات المهمة الأخرى المتعلقة بتطبيق الأساليب الهندسية تسجيل الأجزاء وتوصيف الأجزاء. يكمن وراء هذا مفهوم أنظمة المعلومات المستندة إلى الويب وقوالب البيانات لبيانات الأجزاء. جانب آخر مهم للبيولوجيا التركيبية هو تطوير تكنولوجيا المنصات ، والتي تتم مناقشتها فيما يتعلق بنظام المعلومات ومفهوم BioCAD. القسم الأخير من الفصل يتعامل مع بعض الأمثلة على التطبيقات.

صرح فرانسيس كولينز ، المدير المسؤول عن مشروع الجينوم البشري (انظر الفصل 3) داخل المعهد الوطني للصحة ، في محاضرة بعد حوالي عامين من النشر في مجلة Nature ، أن `` التسلسل الأولي للجينوم البشري لم يكن ممكنًا. دون الاستخدام المكثف لتكنولوجيا المعلومات والاتصالات وأجهزة الكمبيوتر. يلخص هذا البيان كيف أدى التقاء الهندسة والعلوم الفيزيائية وتكنولوجيا المعلومات والاتصالات والحوسبة من جهة والبيولوجيا من جهة أخرى إلى تطوير نظام جديد للبيولوجيا التركيبية.

في هذا الفصل ، سوف ندرس التقنيات التمكينية التي عجلت بظهور البيولوجيا التركيبية ووصف التقنيات الأساسية التي بنيت عليها البيولوجيا التركيبية الحديثة. تجمع البيولوجيا التركيبية بين المبادئ المشتركة في جميع فروع الهندسة مع علوم الأحياء والكيمياء. سننظر في كيفية تعريف هذه المبادئ الهندسية للبيولوجيا التركيبية وكيف أدت التطورات في علم الأحياء والكيمياء في العقود الأخيرة من القرن العشرين إلى ظهور هذا الموضوع. أخيرًا ، سنتطرق إلى التقنيات القادمة التي قد تحدد الجيل التالي من أبحاث البيولوجيا التركيبية.

في هذا الفصل سوف نناقش مفاهيم الحياة التركيبية والحد الأدنى من الخلايا. تندرج بعض الموضوعات الأكثر إثارة للجدل والمثيرة للتفكير في البيولوجيا التركيبية والعلوم الحديثة ضمن هذه الفئة ، بما في ذلك إنشاء الخلايا الاصطناعية والبحث عن الحد الأدنى من النظام البيولوجي الذي يمكن أن يسمى الحياة. في نهاية المطاف ، تهدف البيولوجيا التركيبية التصاعدية إلى تزويدنا بخلايا جديدة مصممة بشكل عقلاني لتعمل كهيكل متخصص. قد تكون هذه أكثر فائدة للتقانة الحيوية من الخلايا الطبيعية الموجودة لأسباب متنوعة. بعض الأمثلة على مزايا الخلايا الاصطناعية هي:

  1. قد يكون استخدام الخلايا المهندسة أكثر قابلية للتنبؤ من استخدام الخلايا الطبيعية التي لا نفهمها تمامًا.
  2. يمكن هندسة الخلايا الاصطناعية لتبسيط مهمة واحدة فقط ، مما يسمح لها باستخدام موارد أقل من الخلايا الطبيعية.
  3. يمكن جعل الخلايا التي يتم إنشاؤها من الأسفل إلى الأعلى تعتمد على ظروف محددة ، والتي يمكن استخدامها لمنعها من الازدهار خارج البيئة المرغوبة.

تنقسم البيولوجيا التركيبية من أسفل إلى أعلى على نطاق واسع إلى فئتين: (1) الخلايا الاصطناعية ، وهي ميكروبات مصممة حديثًا تحتوي على DNA اصطناعي بالكامل و (2) في الحياة المختبرية ، حيث يمكن للتفاعلات الكيميائية الحيوية مجتمعة معًا تنفيذ وظائف الحياة والعمل كمصطنع الخلايا. لفهم هذين الأمرين ، يجدر أيضًا التفكير أولاً في السؤال: ما هو الحد الأدنى الذي نسميه الحياة؟

تتبع البيولوجيا التركيبية هيكلًا هرميًا ، وتبني أنظمة من مكونات أصغر. في المستوى الأدنى توجد الأجزاء ، وهي عبارة عن قطع من الحمض النووي ترميز لوظيفة بيولوجية واحدة مثل إنزيم أو محفز. يتم بعد ذلك دمج هذه الأجزاء في الطبقة التالية ، جهاز ، وهو عبارة عن مجموعة من الأجزاء التي تؤدي وظيفة مرغوبة ذات ترتيب أعلى ، على سبيل المثال إنتاج بروتين. يتم دمج الأجهزة بشكل أكبر في نظام ، والذي يمكن تعريفه على أنه الحد الأدنى لعدد الأجهزة اللازمة لأداء

السلوك المحدد في مرحلة التصميم. يمكن أن يكون للأنظمة سلوك بسيط إلى حد ما (مثل المذبذب) أو سلوك أكثر تعقيدًا (مثل مجموعة من المسارات الأيضية لتركيب منتج). عادةً ما يتم التعامل مع الأجزاء والأجهزة ككيانات معيارية في التصميم والنمذجة. هذا يعني أنه من المفترض أنه يمكن تبادلها دون التأثير على سلوك مكونات النظام الأخرى التي تُترك دون مساس ، وهو ما يمثل مشكلة في النظم البيولوجية. يجب تنفيذ الأنظمة في هيكل يوفر البيولوجيا الأساسية اللازمة لنسخ وترجمة النظام بالإضافة إلى أي ركائز إنزيمية قد تكون ضرورية. يمكن أن يكون الهيكل كائنًا حيًا (يسمى أيضًا التنفيذ في الجسم الحي) ، أو يمكن أن يكون كذلك

اللاأحيائية ، حيث توفر فقط المكونات الكيميائية الحيوية الضرورية للنسخ والترجمة في المختبر.

في هذا الفصل ، ندرس الدور الذي يمكن أن تلعبه النمذجة الرياضية في التصميم الهندسي الصارم لأنظمة البيولوجيا التركيبية القوية ذات التعقيد المتزايد. تهدف البيولوجيا التركيبية إلى بناء أنظمة بيولوجية معقدة بشكل منطقي من مكونات مميزة جيدًا في الطريق ، على سبيل المثال ، يمكن تصميم دائرة إلكترونية. لطالما كان على المهندسين التعامل مع بعض التحديات التي يواجهها علماء الأحياء التركيبية الآن. إن استخدام النماذج الرياضية وأدوات التصميم بمساعدة الكمبيوتر القائمة على النماذج منتشر على نطاق واسع في التخصصات الهندسية الأخرى وقد مكّن من تصميم وتصنيع أنظمة معقدة تتكون من عدد كبير من الأجزاء المتفاعلة.

تحيط النظم البيولوجية وتتغلغل في كل جانب من جوانب الوجود البشري. ليس من المستغرب أن يجد استخدام البيولوجيا التركيبية لتصميم أنظمة حية العديد من مجالات التطبيق ذات التأثير الكبير على المجتمع. في هذا الفصل نسلط الضوء على مجالات البحث الحالية حول تطبيقات العالم الحقيقي ، ونقترح مجالات البحث المستقبلية.

يعود استخدام التقنيات البيولوجية لأغراض مفيدة إلى ظهور الحضارة الإنسانية نفسها. على سبيل المثال ، استخدم البشر الخميرة لتخمير البيرة والنبيذ لآلاف السنين. توجد اليوم التقنيات البيولوجية في مختلف مجالات الصناعة. تعد البيولوجيا التركيبية بتسريع تطوير التقنيات الحيوية المحسنة والجديدة التي سيتم دمجها في العديد من جوانب الصناعة والحياة.

لعبت المسابقة الدولية للآلة المهندسة وراثيًا (iGEM) دورًا رئيسيًا في تطوير البيولوجيا التركيبية وتسلط الضوء على كيفية إتاحة الموضوع للطلاب الجامعيين وحتى طلاب المدارس الثانوية. في حين أن iGEM هو في الأساس أداة تعليمية ، حيث يقوم بتدريب الطلاب الجامعيين على أعمال المختبر ومبادئ البيولوجيا التركيبية ، فقد أنتج أيضًا العديد من التطورات المهمة في البيولوجيا التركيبية ، مع نشر العديد من مشاريع iGEM باعتبارها تقدمًا علميًا مهمًا. يوجد في هذا الفصل أوصاف لمشاريع iGEM من السنوات الست الأولى من المسابقة والتي تعد أمثلة جيدة لمشاريع البيولوجيا التركيبية الناجحة والمثيرة للاهتمام.

هل البيولوجيا التركيبية شيء جديد جذريًا ، أم أنها مجرد امتداد للبيولوجيا الجزيئية؟ يجادل الكثيرون بأنه على الرغم من أنها الخطوة الكبيرة التالية في المضي قدمًا بالتكنولوجيا الحيوية ، إلا أنها تعتمد على تقنيات تسلسل الحمض النووي ومعالجته التي تم تطويرها منذ السبعينيات. ومع ذلك ، فقد كان العقد الماضي وقت تحسن هائل في سهولة استخدام العديد من هذه التقنيات ، وقد أدى هذا ، إلى جانب الانخفاض السريع في التكاليف وتشتت الأساليب التجريبية التي كان يُعتقد في السابق أنها مجال لعلماء الأحياء النخبة ، إلى نشر البيولوجيا التركيبية على نطاق واسع ، بين القطاعات والأساليب الأكاديمية ، وبشكل عميق ، من الحائزين على جائزة نوبل إلى طلاب المدارس الثانوية وعلماء الأحياء الهواة.

على الرغم من أن علم الأحياء التركيبي ليس فريدًا من نوعه ، إلا أن الجمع بين سهولة الوصول إلى الحمض النووي المركب ، وأجهزة الكمبيوتر القوية للمساعدة في التصميم ، وتوزيع هذه التقنيات على المستخدمين بخلاف `` عالم الأحياء التقليدي '' يشير إلى خروج جذري عن علم الأحياء التقليدي ، مما يزيد من الأمان والأمن الفريدين مخاوف ، وكذلك أسئلة حول الملكية. علاوة على ذلك ، أثارت فكرة استخدام هذه التقنيات لبناء الحد الأدنى من الخلايا والكائنات الحية مناقشات حول ما إذا كانت هذه الطموحات أخلاقية ، وما هو أبعد من ذلك ، ماذا يعني "خلق الحياة". إن التطبيق الصناعي للبيولوجيا التركيبية ، والذي من شأنه أن يحل محل المصادر الحالية لبعض المنتجات ويضع الملكية والسيطرة في أيدي الشركات الكبيرة ، يثير أيضًا مخاوف بشأن توزيع فوائد التكنولوجيا وحول عدم المساواة العالمية.

في هذا الفصل نناقش خمسة مجالات رئيسية للقلق فيما يتعلق بالتأثيرات المجتمعية للبيولوجيا التركيبية. وتشمل هذه السلامة الأحيائية والأمن البيولوجي البيئي وملكية القرصنة البيولوجية والقضايا الفلسفية واللاهوتية والقيمة العامة والظلم العالمي الجديد.


1 المقدمة

منذ حوالي 60 عامًا ، كان الوعد بالبيولوجيا الجزيئية يقضي بأنه إذا عرفنا وفهمنا وظيفة الجزيئات التي تتكون منها الخلايا ، فيمكننا حينئذٍ فهم الخلايا ووظائفها. على الرغم من أن هذا كان صحيحًا من حيث المبدأ (وعمليًا في حالات قليلة) ، إلا أن العدد الهائل من الجزيئات جعل من الصعب جدًا فهم العديد من الوظائف المتزامنة. أصبح القياس المتزامن لغالبية هذه الجزيئات ممكنًا خلال السنوات العشر إلى الخمس عشرة الماضية من خلال تطوير العديد من التقنيات المبتكرة. نتيجة لذلك ، لدينا الآن عدد متزايد من مجموعات البيانات التي تعطينا تكوين خلايا وكائنات معينة في ظل ظروف معينة. أصبحت التفاعلات الكيميائية بين العديد من هذه المكونات معروفة الآن وهذه المعرفة تؤدي إلى إعادة بناء شبكات تفاعل كيميائي حيوي على مقياس الجينوم الذي يكمن وراء الوظائف الخلوية المختلفة. وهكذا ، أدخل بيولوجيا الأنظمة (الجزيئية).

لا تركز بيولوجيا الأنظمة بالضرورة على المكونات نفسها ، ولكن على طبيعة الروابط التي تربطها والحالات الوظيفية للشبكات البيوكيميائية التي تنتج عن جمع كل هذه الروابط. تتوافق هذه الحالات الوظيفية للشبكات مع الحالات الفسيولوجية أو التماثل الساكن التي يمكن ملاحظتها. إن استكمال العلاقة بين جميع المكونات الكيميائية للخلية ، مع قواعدها الجينية ، ووظائفها الفسيولوجية هو وعد ببيولوجيا الأنظمة (الجزيئية). يمثل هذا التعهد البناء الفعلي لعلاقة ميكانيكية بين النمط الجيني والنمط الظاهري.

العلاقة بين النمط الجيني والنمط الظاهري

المفهوم من خلال تجارب التكاثر ، اكتشف جريجور مندل أن هناك كمية منفصلة من المعلومات تنتقل من جيل إلى آخر تحدد شكل ووظيفة الكائن الحي. يشار إلى هذه الكميات أو الحزم من المعلومات عمومًا باسم الجينات. يشار إلى مجموعة كل الجينات والنسخة المعينة منها الموجودة في جينوم كائن حي على أنها النمط الجيني الخاص به. يشار إلى شكل ووظيفة الكائن الحي باسم النمط الظاهري. تمثل كيفية ارتباط النمط الظاهري بالنمط الجيني العلاقة الأساسية لعلم الأحياء.


1 المقدمة

فجأة ، أصبحت بيولوجيا الأنظمة في كل مكان. ما هذا؟ كيف نشأت؟ القوة الدافعة لنموها هي التقنيات عالية الإنتاجية (HT) التي تسمح لنا بتعداد المكونات البيولوجية على نطاق واسع. يؤدي تحديد التفاعلات الكيميائية لهذه المكونات إلى ظهور شبكات تفاعل كيميائية حيوية أعيد بناؤها والتي تكمن وراء الوظائف الخلوية المختلفة. وبالتالي ، فإن بيولوجيا الأنظمة لا تركز بالضرورة على المكونات نفسها ، ولكن على طبيعة الروابط التي تربطها والحالات الوظيفية للشبكات التي تنتج عن تجميع كل هذه الروابط. 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.


شاهد الفيديو: البيولوجيا التركيبية- مكونات بيولوجية تحت الطلب (شهر فبراير 2023).