Biologia dei sistemi

Biologia dei sistemi, studio delle interazioni e del comportamento dei componenti di entità biologiche, tra cui molecole, cellule, organi e organismi.

L'organizzazione e l'integrazione dei sistemi biologici è stata a lungo di interesse per gli scienziati. La biologia dei sistemi come campo di studio formale e organizzato, tuttavia, è emersa dalla rivoluzione della genomica, che è stata catalizzata dall'Human Genome Project (HGP; 1990-2003) e dalla disponibilità per i biologi delle sequenze di DNA dei genomi umani e molti altri organismi. L'istituzione del campo è stata anche fortemente influenzata dal riconoscimento generale che organismi, cellule e altre entità biologiche presentano un livello intrinsecamente elevato di complessità. Due temi dominanti della biologia moderna sono radicati in quella nuova prospettiva: in primo luogo, l'idea che la biologia sia fondamentalmente una scienza informativa - i sistemi, le cellule e gli organismi biologici immagazzinano e trasferiscono le informazioni come i loro processi più fondamentali - e in secondo luogo, l'emergere di nuove tecnologie e approcci per lo studio della complessità biologica.

Gli organismi biologici sono molto complessi e le loro molte parti interagiscono in numerosi modi. Pertanto, possono essere considerati generalmente come sistemi integrati. Tuttavia, mentre un sistema complesso integrato come quello di un moderno aereo di linea può essere compreso dalla sua progettazione ingegneristica e dai piani dettagliati, tentare di comprendere il sistema integrato che è un organismo biologico è molto più difficile, principalmente perché il numero e la forza delle interazioni in il sistema è fantastico e devono essere dedotti tutti dopo il fatto dal comportamento del sistema. Allo stesso modo, il progetto per il suo design deve essere dedotto dal suo materiale genetico. Quel punto di vista dei "sistemi integrati" e tutti gli approcci associati per lo studio delle cellule e degli organismi biologici sono collettivamente chiamati biologia dei sistemi.

Complessità e proprietà emergenti

Molti degli aspetti più critici del funzionamento di una cellula derivano dal comportamento collettivo di molte parti molecolari, che agiscono tutte insieme. Queste proprietà collettive - spesso chiamate "proprietà emergenti" - sono attributi critici dei sistemi biologici, poiché la comprensione delle singole parti da sole non è sufficiente per comprendere o prevedere il comportamento del sistema. Pertanto, le proprietà emergenti provengono necessariamente dalle interazioni delle parti del sistema più ampio. Ad esempio, un ricordo che è immagazzinato nel cervello umano è una proprietà emergente perché non può essere inteso come una proprietà di un singolo neurone o anche di molti neuroni considerati uno alla volta. Piuttosto, è una proprietà collettiva di un gran numero di neuroni che agiscono insieme.

Uno degli aspetti più importanti delle singole parti molecolari e delle cose complesse che costituiscono sono le informazioni che le parti contengono e trasmettono. In biologia le informazioni nelle strutture molecolari - le proprietà chimiche delle molecole che consentono loro di riconoscersi e legarsi le une alle altre - sono fondamentali per la funzione di tutti i processi. Tali informazioni forniscono un quadro per la comprensione dei sistemi biologici, il cui significato è stato colto in modo penetrante dal chimico fisico teorico americano Linus Pauling e dal biologo francese Emil Zuckerkandl, che ha affermato in un documento congiunto: "La vita è una relazione tra molecole e non una proprietà di alcuno una molecola. " In altre parole, la vita è definita in termini di interazioni, relazioni e proprietà collettive di molti sistemi molecolari e delle loro parti.

L'argomento centrale riguardante le informazioni in biologia può essere visto considerando l'eredità delle informazioni o il passaggio di informazioni da una generazione alla successiva. Per una determinata specie, le informazioni nel suo genoma devono persistere attraverso la riproduzione per garantire la sopravvivenza della specie. Il DNA viene trasmesso fedelmente, consentendo alle informazioni genetiche di una specie di resistere e, nel tempo, di essere influenzate dalle forze evolutive. Le informazioni che esistono oggi negli esseri viventi si sono accumulate e sono state modellate nel corso di oltre 3,4 miliardi di anni. Di conseguenza, concentrarsi sull'informazione molecolare nei sistemi biologici fornisce un utile punto di vista per capire come funzionano i sistemi viventi.

Che le proprietà emergenti derivate dalla funzione collettiva di molte parti siano le proprietà chiave dei sistemi biologici è noto almeno dalla prima metà del 20 ° secolo. Sono stati ampiamente considerati in biologia cellulare, fisiologia, biologia dello sviluppo ed ecologia. In ecologia, ad esempio, il dibattito sull'importanza della complessità nei sistemi ecologici e il rapporto tra complessità e stabilità ecologica sono iniziati negli anni '50. Da allora, gli scienziati hanno capito che la complessità è una proprietà generale della biologia e che sono state sviluppate tecnologie e metodi per comprendere parti e i loro comportamenti interattivi a livello molecolare. Il cambiamento quantitativo in biologia, basato su dati biologici e metodi sperimentali, ha fatto precipitare un profondo cambiamento qualitativo nel modo in cui i sistemi biologici sono visti, analizzati e compresi. Le ripercussioni di quel cambiamento sono state immense, con conseguenti cambiamenti nel modo in cui viene condotta la ricerca e nel modo in cui la biologia è compresa.

Un confronto con l'ingegneria dei sistemi può fornire informazioni utili sulla natura della biologia dei sistemi. Quando gli ingegneri progettano sistemi, esplorano componenti noti che possono essere assemblati in modo tale da creare un sistema che si comporti in modo prescritto, secondo le specifiche di progettazione. Quando i biologi osservano un sistema, d'altra parte, i loro compiti iniziali sono identificare i componenti e comprendere le proprietà dei singoli componenti. Tentano quindi di identificare in che modo le interazioni tra i componenti alla fine creano comportamenti biologici osservabili del sistema. Il processo è più strettamente allineato con la nozione di "reverse engineering dei sistemi" che non con la progettazione dei sistemi.

Il Progetto genoma umano ha contribuito ampiamente a questa rivoluzione in biologia in almeno tre modi diversi: (1) acquisendo la "lista delle parti" della genetica di tutti i geni del genoma umano; (2) catalizzando lo sviluppo di piattaforme tecnologiche ad alto rendimento per la generazione di grandi set di dati per DNA, RNA e proteine; e (3) ispirando e contribuendo allo sviluppo degli strumenti computazionali e matematici necessari per analizzare e comprendere grandi serie di dati. Il progetto, si potrebbe sostenere, è stato il catalizzatore finale che ha determinato il passaggio al punto di vista dei sistemi in biologia.