Biologia de Sistemas y Biologia Sintetica

Biología de sistemas y
Biología sintética
Carlos Manuel Estévez-Bretón

viernes 17 de abril de 2009

Que es la Biología de Sistemas
Orígenes
Técnicas Asociadas
Modelamiento

Que es Biología Sintética
Orígenes
Logros
Aspectos adicionales


Área de estudio
interdisciplinaria basada
en la Biología

http://www.ﬂickr.com/photos/amin_tabrizi/72684909/


Enfocada en el estudio
Sistemático de
interacciones complejas
sistemas biológicos


Uno de sus objetivos es
descubrir nuevas
propiedades
emergentes


http://www.ﬂickr.com/photos/gak/160062467/

para entender mejor la totalidad de los procesos que ocurren
en un sistema biológico


Algunos dicen que es
un área de estudio


Otros que es el antónimo
del reduccionismo


Multiescalaridad

http://www.ﬂickr.com/photos/ianturk/269291890/

quot;Systems biology...is about
putting together rather than
taking apart, integration rather
than reduction. It requires that
we develop ways of thinking
about integration that are as
rigorous as our reductionist
programmes, but different....It
means changing our philosophy,
in the full sense of the termquot;

Denis Noble (2006). The Music of Life: Biology beyond the genome. Oxford University Press. ISBN 978-0199295739. p21


The Music of
Life: A new view
on Nature and
Nurture

http://www.pulse-project.org/node/32


Principios

http://www.ﬂickr.com/photos/spilt-milk/164145237/


1. La funcionalidad
biológica es multinivel

Noble,D. Claude Bernard, the ﬁrst systems biologist,and the future of physiology Experimental Physiology (2008)Published online 19th October 2007 expphysiol.
2007.038695v1

2. La transmisión de
información no es en
una sola vía.


3. El DNA no es el
único transmisor de la
herencia.


4. La teoría de
relatividad biológica: no
hay un nivel privilegiado
de causalidad.


5. La Ontología
Genética (GO) fallará si
no se consideran
niveles superiores de
penetración


6. No hay programa
genético


7. No hay programas a
ningún otro nivel


8. No hay programas en
el cerebro.


9. El cuerpo no es un
objeto


10. Hay mucho mas por
ser descubierto; no
existe todavía una
genuina teoría biológica


http://www.ﬂickr.com/photos/mydailycommute/19354158/

Modelos
cuantitativos de
cinética enzimática


Modelos Simulaciones
cuantitativos de (neurofisiología)


Modelos Simulaciones
cuantitativos de (neurofisiología)
•Teoría de Control
•Cibernética


Teoría de CONTROL

http://www.ﬂickr.com/photos/santoposmoderno/3300496591/

Cibernética

http://www.ﬂickr.com/photos/selva/20600897/


http://www.ﬂickr.com/photos/jonragnarsson/2159843888/


Karl Ludwig von Bertalanffy
September 19, 1901, Vienna, Austria – June 12, 1972, New York, USA

Teoría General de Sistemas

1963 Premio Nobel de -Fisiología o Medicina


Alan Lloyd Hodgkin
5 February 1914, Banbury, Oxfordshire, England
– 20 December 1998 Cambridge


Sir Andrew Fielding Huxley

OM, FRS.
22 November 1917, Hampstead, London


Marcapasos

Denis Noble

1966 international symposium at the Case Institute of
Technology in Cleveland, Ohio

quot;Systems Theory and Biology”

Mihajlo D. Mesarovic


http://www.ﬂickr.com/photos/kurtrik/3219516274/

Técnicas Asociadas

http://www.ﬂickr.com/photos/ppdigital/3123340426/

Transcriptómica

http://www.ﬂickr.com/photos/suncana/365876497/

http://www.expasy.ch/ch2dothergifs/publi/kidney.gif

Proteómica

Interactómica


Metagenómica


Modelos Mecanisistas


Sistemas Dinámicos
Adaptativos

http://www.ﬂickr.com/photos/burnblue/104767702/

Modelamiento Celular

Systems Biology
Markup Languaje

• Descrito por Hucka et al. (2003), es una
form ade representar redes bioquímicas.
• Es una extensión de eXtensible Markup
Languaje.


SBML
• El modelo consiste en listas de:
• funciones
• unidades
• compartimientos
• especies
• parámetros
• reglas
• reacciones
• eventos

<?xml version=”1.0” encoding=”UTF-8”?>


<model id=”MiRedMetabolica”


name=”Mi Red Metabólica”>



<listOfUnitDeﬁnitions>



…



…
</listOfUnitDeﬁnitions>



…
<listOfCompartments>



…
…



…
…
</listCompartments>



…
…
</listCompartments>
<listOfSpecies>



…
…
</listCompartments>
<listOfSpecies>
…



…
…
</listCompartments>
<listOfSpecies>
…
</listOfSpecies>



…
…
</listCompartments>
<listOfSpecies>
…
</listOfSpecies>
<listOfParamaters>



…
…
</listCompartments>
<listOfSpecies>
…
</listOfSpecies>
<listOfParamaters>
…



…
…
</listCompartments>
<listOfSpecies>
…
</listOfSpecies>
<listOfParamaters>
…
</listParameters>



…
…
</listCompartments>
<listOfSpecies>
…
</listOfSpecies>
<listOfParamaters>
…
</listParameters>
<listOfReactions>



…
…
</listCompartments>
<listOfSpecies>
…
</listOfSpecies>
<listOfParamaters>
…
</listParameters>
<listOfReactions>
…



…
…
</listCompartments>
<listOfSpecies>
…
</listOfSpecies>
<listOfParamaters>
…
</listParameters>
<listOfReactions>
…
</listReactions>



…
…
</listCompartments>
<listOfSpecies>
…
</listOfSpecies>
<listOfParamaters>
…
</listParameters>
<listOfReactions>
…
</listReactions>
</model>



…
…
</listCompartments>
<listOfSpecies>
…
</listOfSpecies>
<listOfParamaters>
…
</listParameters>
<listOfReactions>
…
</listReactions>
</model>
</sbml>


SBML: unidades
• La lista es opcional de unidades permite la
deﬁnición y redeﬁnición de unidades usadas
por el modelo.


SBML: unidades
• La lista es opcional de unidades permite la
definición y redefinición de unidades usadas
por el modelo.

<unitDefinition id=”substancia”>
<listOfUnits>
<unit kind =”item”/>
</listOfUnits>
</unitDefinition>


SBML: compartimientos
• Lista los estados simples de los
compartimientos en el modelo.
• Si tiene dos compartimiento anidados sería:

• La unidad de volumen por omisión es litro

• Se debe declarar el compartimiento que está “afuera”


SBML: compartimientos
• Lista los estados simples de los
compartimientos en el modelo.
• Si tiene dos compartimiento anidados sería:
<compartment id=”Celula” size=”1”/>
<compartment id=”Nucleo” size”1” outside”Celula”/>
</listCompartments>

• La unidad de volumen por omisión es litro

• Se debe declarar el compartimiento que está “afuera”


SBML: especies
• Lista los estados simples de las moléculas
• Las unidades son las establecidas en
“unidades”


SBML: especies
• Lista los estados simples de las moléculas
• Las unidades son las establecidas en
“unidades”
<listOfSpecies>
<species id=”Gen” compartment=”Celula” initialAmount=”10”
hasOnlySubstanceUnits=”true”/>
<species id=”P2Gen” name=”P2Gen”compartment=”Celula”
initialAmount=”0” hasOnlySubstanceUnits=”true”/>
<species id=”RNA” compartment=”Celula” initialAmount=”0”
<species id=”P” compartment=”Celula” initialAmount=”0”
<species id=”P2” compartment=”Celula” initialAmount=”0”
</listOfSpecies>


SBML: parámetros
• La sección de parámetros se puede usar
para declarar nombres de variables
numéricas para ser usadas en fórmulas
algebráicas.
• Generalmente se usan para declarar
constantes para las leyes de cinética o
reacciones bioquímicas.


SBML: parámetros
• La sección de parámetros se puede usar
para declarar nombres de variables
numéricas para ser usadas en fórmulas
algebráicas.
• Generalmente se usan para declarar
constantes para las leyes de cinética o
reacciones bioquímicas.
<listOfParamaters>
<parameter id=”k1” vaue=”0,01”/>
<parameter id=”k2” vaue=”0,1”/>
</listParameters>


SBML: reacciones
• Es un listado de reacciones
• Una reacción consta de reactantes,
productos y tazas de cambio.
• También puede declarar un especies
modiﬁcadoras “modiﬁer” que no son
reactantes o productos pero que
intervienen en la reacción


Notación


Software Infrastructure
Model representation Software tools
Standard representation
method of biological
models

CellDesigner

Database

Translator RoadRunner AutoLayout


CellDesigner
+ + +

= CellDesigner

Modeling tool for biochemical and

Biología
Sintética


http://openwetware.org/images/e/e0/AiSB_Spanish.pdf

http://www.nature.com/nature/comics/syntheticbiologycomic/

Area de investigación biológica.

Combina ciencia e ingeniería.

Para diseñar y construir
(quot;sintetizarquot;) noveles sistemas y
funciones biológicas.


En1974, el Genetista
Polaco Waclaw
Szybalski introduce
el término


El represilador es un
oscilador artiﬁcial que
se construye mediante
una red de reguladores
génicos.
A Synthetic Oscillatory Network of Transcriptional Regulators; Michael B. Elowitz and Stanislas Leibler;
Nature. 2000 Jan 20;403(6767):335-8.


Consiste en 3 genes
conectados en un bucle de
retroalimentación.


•Cada gen reprime al al siguiente
en un bucle.
•Cada gen es reprimido por el
gen anterior.


Una proteina
ﬂuorescente se usa
como reportero.


A Synthetic Oscillatory Network of Transcriptional Regulators; Michael B. Elowitz and Stanislas Leibler;
Nature. 2000 Jan 20;403(6767):335-8.


La red se compone de
tres genes:
LacI, extraído de la
bacteria E. coli, tetR del
transposón Tn10 y cI
del fago λ

UT Austin 2004 Synthetic Biology competition photo. Courtesy of Jeff Tabor and
Randy Rettberg
http://en.wikipedia.org/wiki/File:UT_HelloWorld.jpg

Una biopelícula hecha por el equipo de 2004 de
Biología Sintética de UT Austin / UCSF.
Despliega el mensaje quot;Hello worldquot;,
comúnmente utilizado como muestra en
lenguajes de programación.


Registry of Standard
Biological Parts


una colección de
~3200 partes
genéticas


El repositorio de BioBrick
antiene el DNA de las partes
en células.

http://biobricks.org/


http://ginkgobioworks.com/support/

http://partsregistry.org/Catalog


Molecular Systems Biology 2 Article number: 69 doi:10.1038/msb4100104
Published online: 12 December 2006
Citation: Molecular Systems Biology 2:69

http://lifeboat.com/ex/i.nanobot

Nanobiotecnología

•ET Synthetic Biology
•IET Systems Biology
•Springer - Systems and Synthetic Biology
•BMC Systems Biology
•Nature - Molecular Systems Biology
•PLoS - Computational Biology
•Elsevier - Biosystems
•World Scientiﬁc - Journal of Bioinformatics and Computational
Biology
•World Scientiﬁc - Journal of Biological Systems
•Journal of the Royal Society - Focus on Systems Biology
•Biophysical Journal
•RSC Publishing - Molecular Biosystems
•PNAS
•Virtual Journal of Biological Physics Research
•EURASIP Journal on Bioinformatics and Systems Biology
•In Silico Biology

7:57

http://www.youtube.com/watch?v=A-mCWIGVgmQ

• Science Today: Synthetic Biology/UC Berkeley
http://www.youtube.com/watch?v=PCxSa6vGEFY

• Renewable Energy from Synthetic Biology http://
www.youtube.com/watch?v=GZge1v7GDq0

• The Implications of Synthetic Biology http://
mitworld.mit.edu/video/363


Carlos Manuel Estévez-Bretón Riveros MSc.

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