|
Vyučující
|
-
Krasylenko Yuliya, Ph.D.
-
Krasylenko Yuliya, Ph.D.
|
|
Obsah předmětu
|
Přednáška 1. Zásady kurzu a úvod do systémové biologie (SB) Přednáška 2. Struktury, komplexita a chaos Přednáška 3. Živé systémy a informace Přednáška 4. Živé systémy a energie Přednáška 5. Živé systémy a adaptace Přednáška 6. Živé systémy a evoluce Přednáška 7. Systémová biologie v rostlinné vědě Přednáška 8. Systémová biologie v medicíně Přednáška 9. Systémová biologie ve vývoji léčiv a materiálové vědě Přednáška 10. Vzorce v přírodě Přednáška 11. Umělá inteligence v systémové biologii Přednáška 12. Emergentní témata v systémové biologii Klíčová slova a hlavní definice: řád; komplexita; nerovnovážné systémy; homeostáza; metabolismus; samoudržitelnost a samoregulace; holismus; redukcionismus; přístup shora dolů; přístup zdola nahoru; "omics"; emergence (vynořování vlastností); vnořená hierarchie; biologická robustnost; teorie systémů; matematické modelování; teorie sítí (grafů); teorie chaosu; motýlí efekt; synergie; Markovovy řetězce; signály a zprávy; mezibuněčná a intracelulární komunikace; 3D biotisk; entalpie; entropie; Gibbsova volná energie; bioenergetika; fototrofie; chemotrofie; autotrofie; heterotrofie; detritivorie; saprotrofie; mixotrofie; mykoheterotrofie; parazitismus; endergonní vs. exergonní reakce; kompartmentalizace; bioluminiscence; adaptace; homeostáza; alostáza; alostatická zátěž; stres; eustres; distres; obecný adaptační syndrom; reakce "boj-útěk-zamrznutí"; mikrobiom; sukcese; Bergmannovo pravidlo; Allenovo pravidlo; Glogerovo pravidlo; Fosterovo pravidlo; latitudinální gradient; mechanismy dormance; extremofilové; evoluční teorie; mikro- a makroevoluce; genofond; genový tok; genetický drift; efekt populačního zúžení; efekt zakladatele; horizontální (laterální) přenos genů; konjugace; transformace; transdukce; vezikoduplikace; mutace; endosymbióza; organelogeneze; "smetná DNA"; speciace; fylogeneze; taxonomie; kladistika; chytré zemědělství; fenotypizace rostlin; drony; rostlinný mikrobiom; klíčové mikroorganismy; keystone druhy; biofilm; quorum sensing; P4 medicína; personalizovaná zdravotní péče; stratifikovaná medicína; precizní medicína; systémová medicína; mapy nemocí; biomarkery; exposom; translační biomedicína; konjunktní analýza; orphan léčiva; systémy podávání léčiv; repurposing (přeúčelování) léčiv; biomimetika; biomimikry; bionika; robotika; bio-inspirované technologie; biomimetické produkty; letadla; Taq polymeráza; suchý zip; biomimetická architektura; samoopravné materiály; biomimetická syntéza; umělé enzymy; nanozymy; symetrie a antisymetrie v živých systémech; rostlinné osy; stromy a větvení (ramifikace); spirály (logaritmická spirála, fylotaxe, parastichy, Fibonacciho poměry, Fermatova spirála); fylotaxe; teselace v přírodě; fraktály; fraktálové vzorce; Mandelbrotova množina; geomorfologie; eolické tvary reliéfu; Voroného diagramy ve vývojové biologii; neuronové sítě; neokortikální sloupec; Markramův model; umělá inteligence; strojové učení; hluboké učení; řízené a neřízené učení; astrobiologie (exobiologie); hypotéza RNA světa; kosmické zemědělství; semenné filmy; Veggie; astrobotanika; simulovaná mikrogravitace; klinostatová rotace; syntetická biologie; aptamery; genové obvody; bioreportéry; biosenzory; xeno-DNA (XNA); Mycoplasma laboratorium (Synthia); protobuňky; umělý život (A-life); syntetické minimální buňky; DNA nanostruktury pro podávání léčiv; DNA origami.
|
|
Studijní aktivity a metody výuky
|
Přednášení, Monologická (výklad, přednáška, instruktáž), Dialogická (diskuze, rozhovor, brainstorming)
- Semestrální práce
- 20 hodin za semestr
|
|
Výstupy z učení
|
Hlavním cílem kurzu Systémová biologie je zkoumat multidisciplinární povahu moderního biologického výzkumu. Kurz zahrnuje integraci poznatků napříč různými úrovněmi organizace živých organismů, stejně jako seznámení se se základními koncepty, jako jsou holismus a redukcionismus, princip emergence, teorie grafů, teorie chaosu, teorie informace a přístupy založené na multi-omických datech. Důraz je kladen také na jejich aplikaci v různých oblastech biologie, biomedicíny a příbuzných disciplín, včetně rostlinné biologie, medicíny, návrhu léčiv a materiálových věd. Zvláštní pozornost je věnována nově se rozvíjejícím tématům systémové biologie i biologie obecně, jako jsou syntetická biologie, bezbuněčné systémy, XNA, astro- a exobiologie a další, stejně jako neuronovým sítím, umělé inteligenci, strojovému a hlubokému učení.
Systémová medicína a vývoj léčiv Důsledky systémové medicíny pro výzkum a vývoj nových léčiv. Translační biomedicína. Porovnání tradičního a systémového přístupu k vývoji léčiv. Systémová farmakologie: situace, kdy je výhodné působení na více cílů. Fáze výzkumu a vývoje léčiv: objevování a vývoj léčiv; preklinický výzkum; klinický vývoj; posuzování a schvalování léčiv. Proces identifikace terapeutických cílů založený na topologii. Konjunktní analýza. Proces identifikace a predikce vztahu mezi účinkem a potenciálními léčivy. Síťově založené technologie pro rané fáze vývoje léčiv. Schvalování léčiv: Úřad pro kontrolu potravin a léčiv USA (FDA), Evropská agentura pro léčivé přípravky (EMA), Agentura pro léčivé přípravky a zdravotnické prostředky (PMDA). Léčivé přípravky pro vzácná onemocnění (orphan drugs). Systémy podávání léčiv. Hierarchie cíleného podávání léčiv: primární, sekundární a terciární úroveň. Drug Central a Drugmap Central. Přeúčelování léčiv (drug repurposing/repositioning). Biomimetika a vzorce v přírodě Biomimetika, biomimikry, bionika, robotika a bioinspirované technologie. Biomimetické produkty a technologie: letadla, Taq polymeráza, suchý zip, biomimetická architektura, samoopravné materiály aj. Biomimetická syntéza. Historie studia přírodních vzorců: Platón, Pythagoras ze Samu, Empedoklés, Joseph Plateau, Ernst Haeckel, Sir D'Arcy Thompson, Alan Turing, Aristid Lindenmayer, Benoit Mandelbrot a další. Geometrické útvary a formy v přírodě. Symetrie v živých systémech (bilaterální/zrcadlová, radiální/rotační, pětičetná, sférická) a v neživých systémech (krystalové tvary). Různé roviny bilaterální symetrie: sagitální, transverzální, zadní, přední, dorzální a ventrální. Řád rotační symetrie. Osy rostlin: mediolaterální, adaxiální?abaxiální, distálně?proximální, sestupná a vzestupná. Stromy a vzorce větvení (ramifikace). Spirály (logaritmická spirála, fylotaxe, parastichy, Fibonacciho poměry, Fermatova spirála). Fylotaxe jako relativní uspořádání nových listů: dvouřadá, spirální (parastichní), křižmostojná a přeslenitá. Asymetrie v přírodě a její význam. Různé typy asymetrie: fluktuační asymetrie, směrová asymetrie a antisymetrie. Teselace v přírodě. Fraktály, fraktálům podobné vzorce a Mandelbrotova množina. Voroného diagram a teselace. Geomorfologie: eolické tvary reliéfu. Neuronové sítě a umělá inteligence Neuronové sítě (NN): biologické a umělé neuronové sítě. Projekt Blue Brain. Neokortikální sloupec. Markramův model. Šest vrstev neokortexu. Teorie vysvětlující, jak sloupce neokortexu umožňují učení struktury světa. Umělé neuronové sítě (ANN): definice, příklady, aplikace a trénování. Umělá inteligence, strojové učení a hluboké učení. Řízené a neřízené strojové učení. Astrobiologie Astrobiologie (exobiologie): nový horizont. Extrémní prostředí a extremotolerantní organismy. Extremofilní modely pro astrobiologii. Hypotéza RNA světa. Pěstování rostlin ve vesmíru (kosmické zemědělství), mise VEG-03I a VEG-03J, semenné filmy, systém Veggie. Astrobotanika: simulovaná mikrogravitace a klinostatová rotace. Syntetická biologie Syntetická biologie: definice a hlavní charakteristiky. Druhá dekáda syntetické biologie: 2010?2020. Přístupy shora dolů a zdola nahoru v syntetické biologii. Bezbuněčná syntetická biologie: konstrukce systémů mimo buňku. Výhody a aplikace bezbuněčné syntetické biologie. DNA nanostruktury pro podávání léčiv: ?DNA-brick? samouspořádávání a DNA origami. Software CADNANO pro návrh trojrozměrných nanostruktur DNA origami. Aptamery. Genové obvody a jejich konstrukce. Syntetické minimální buňky. Protocely a umělý život (A-life). XNA ? xeno-DNA a analogy nukleových kyselin. Bioreportéry. RNA biosenzory a platformy syntetické biologie pro in vitro diagnostiku. Zařízení syntetické biologie pro in vivo diagnostiku. Otázky biologické bezpečnosti a bioetiky.
|
|
Předpoklady
|
Základní znalosti buněčné a molekulární biologie, genetiky, biochemie a fyziologie organismů. Schopnost pracovat s odbornou literaturou v anglickém jazyce. Základní orientace v matematice, statistice a bioinformatice je výhodou, nikoliv podmínkou.
|
|
Hodnoticí metody a kritéria
|
Známkou, Didaktický test
Úspěšné složení závěrečného testu.
|
|
Doporučená literatura
|
-
& Choi, S. (2007). Introduction to systems biology. Totowa, NJ.
-
Alon, U. An introduction to systems biology: design principles of biological circuits. 2019.
-
Coruzzi GM, Gutierrez RA, Eds. Plant Systems Biology. Annual Plant Reviews vol. 35.
-
Davidson EA, Windram OP, Bayer TS. (2012). Building synthetic systems to learn nature's design principles. Adv Exp Med Biol. 751.
-
Dubitzky W, Southgate J, Fuß H, Edis. Understanding the Dynamics of Biological Systems: Lessons Learned from Integrative Systems Biolog.
-
Goldbeter A, Gérard C, Gonze D, Leloup JC, Dupont G. (2012). Systems biology of cellular rhythms. FEBS Lett. 586(18).
-
Katsoulakis, E., Wang, Q., Wu, H., Shahriyari, L., Fletcher, R., Liu, J.. & Deng, J. Digital twins for health: a scoping review. .
-
Kholodenko BN. (2006). Cell-signalling dynamics in time and space. Nat Rev Mol Cell Biol. 7(3).
-
Kirschner MW. (2005). The meaning of systems biology. Cell. 20;121(4).
-
Klipp, E., Liebermeister, W., Wierling, C., & Kowald, A. Systems biology: a textbook. 2016.
-
Koutrouli , M., Karatzas , E., Paez Espino , D., & Pavlopoulos , G. A. (. A guide to conquer the biological network era using graph theory. 2020.
-
Krawetz S, Ed. Bioinformatics for Systems Biology. Heidelberg.
-
Libault, M., Pingault, L., Zogli, P., & Schiefelbein, J. Plant systems biology at the single-cell level. 2017.
-
Milano, M., Agapito, G., & Cannataro, M. Challenges and limitations of biological network analysis. 2022.
-
Mu?oz-García J, Kholodenko BN. (2010). Signalling over a distance: gradient patterns and phosphorylation waves within single cells. Biochem Soc Trans. 38(5).
-
Raza, A. Metabolomics: a systems biology approach for enhancing heat stress tolerance in plants. 2022.
-
Sophien Kamoun. Can a biologist fix a smartphone??Just hack it!. 2017.
-
Voit, Eberhard O. (2017). A first course in systems biology.
-
Yuri Lazebnik. Can a biologist fix a radio?-Or, what I learned while studying apoptosis. 2002.
|