Математическая биология и её приложения

1.

Математическая
биология
и ее приложения

2.

Введение
«State of the Art»

3.

ПРЕДМЕТ?
Математическая биология
или
Биоматематика
Компьютерная биология
или
Биоинформатика
Интегративная биология
или
Системная биология
Компьютерная медицина
или
Медицинская физика

4.

Системная
биология включает
Определения
в себя применение
экспериментальных,
What is
Systems Biology?
теоретических и
Definition:компьютерных
…?
методов
изучения
Systems biology
involvesбиологических
the application of experimental,
организмов
на всех
уровнях
theoretical,
and computational
techniques
to от
the study of
молекулярного,
biological organisms
at all levels,через
from the molecular,
through клеточный,
the cellular, to the
organ, organism,
and
тканевой,
до
populations.
Its aim is toорганизменного
understand biological
органного,
и processes
as integrated
systems instead ofЦель
as isolated
parts.
популяционного.
–
понимание биологических
NIH Systemsкак
Biology
Workshop 2002
процессов
интегративных
систем взамен изолированных
частей.
NIH Systems Biology Workshop 2002

5.

Определения
What is Systems Biology?
Definition: …?
Возможно
ноexperimental,
Systems biology
involvesудивительно,
theaapplication
of
Perhaps
surprisingly,
concise
definition
of
точное
определение
системной
theoretical,
and computational
techniques
to the study of
биологии,
с которым
бы
Systems
Biology
thatatmost
of us
agree upon
biological
organisms
all
levels,
fromcan
the molecular,
согласилось
еще and
through
the cellular, большинство
to the organ, organism,
to emerge.
не
созрело
populations. Its has
aim isyet
to understand
biological processes
as integrated systems
instead of as isolated parts.
Ruedi Aebersold
Institute
forBiology
Systems
Biology,
NIH
Systems
Workshop
2002
Ruedi
Aebersold
SeattleBiology, Seattle
Institute for Systems

6.

Система и Способы ее анализа…
Этимология: synthithemi, греч. ‘Собирать вместе’
Определение: (Ludwig von Bertalanffy, 1901-1972):
Система – сущность, поддерживающая свое
существование благодаря взаимодействию
своих частей.
System
R
E
D
U
C
E
Parts
I
N
T
E
G
R
A
T
E

7.

Модель как Метод исследования
System
Insight
Models
‘…simplified description
of a system, to assist
calculations and
predictions.’
Oxford Concise Dictionary
• Relevant (уместный, подходящий
существенный)
• Representative (типичный,
характерный)
• Reproducible (воспроизводимый)
• Reasonable (разумный)

8.

СЛОЖНОСТЬ БИОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ
Многоуровневая иерархия:
молекулы, клетки, ткани,
орган, организм, популяция…
Разнопорядковые
пространственно-временные
шкалы
Интеграция процессов
разнообразной
физической природы
Открытые,
неравновесные
системы

9.

10.

11.

I. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ
МОДЕЛИРОВАНИЕ
Создание моделей. Иерархии моделей
от субмолекулярного до
надпопуляционного уровня.
Качественное и количественное
исследование моделей.

12.

II. БИОИНФОРМАТИКА
Геномика. Транскриптомика.
Протеомика. Метаболомика.
Проблемы интерпретации
экспериментальных данных.
Разработка алгоритмов. Базы данных.
Создание программных разработок.

13.

III. ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ И
ИНФОРМАЦИОННЫЕ
ТЕХНОЛОГИИ
Методы сбора, обработки и передачи
данных для получения информации нового
качества о состоянии объекта, процесса
или явления. Численные методы обработки
экспериментальных данных. Распознавание
образов. Кластеризация. Организация
параллельных вычислений. Организация
распределенных вычислений.
Вычислительные технологии в области
молекулярного дизайна, фармакологии и
биотехнологии.

14.

Дисциплины математической биологии
Математическая генетика
Популяционная динамика
Математическая экология
Математическая иммунология
Математическая эпидемиология
Математическая физиология
Математическая молекулярно-клеточная биология

15.

Математическая
Физиология
- количественное
описание
физиологических
процессов и
систем

16.

Talk at the STEP#1 Conference, Brussels, 2006
www.europhysiome.org

17.

18.

19.

20.

21.

Cardiome Project
Tissue Structure
Heart model
Anatomy
Tissue properties
Model Validation
Drug Discovery
Clinical Applications
Cellular properties
Rob MacLeod, CVRTI/BE/SCII
Peter Hunter, Auckland University

22.

23.

24.

25.

26.

27.

Full Circle: Whole Heart to Single Cell
?

28.

Imaging
Organ
Structure
at ParaCellular
Resolution
Voxel size
25 mm (x/y/z)

29.

Imaging
Organ
Structure
at ParaCellular
Resolution
Voxel size
25 mm (x/y/z)

30.

Imaging Structure: Cell to Organ
Pixel resolution 1 mm (x/y)

31.

Co-Registration with Sub-Cellular Detail

32.

Organ Data-Sets with Sub-Cellular Detail

33.

Histo-Anatomical Models
Mesh and
Model
Generation

34.

Development of Matching ‘Wet’ Tools
Carbon fiber mount
(stiff glass pipette)
Piezo-motor
Piezo-motor
Carbon fiber
(1.20 mm)