مدلسازی سیستم‌های زیستی

مدلسازی سیستم‌های بیولوژیکی از کاربردهای مهم زیست‌شناسی سیستمی و زیست‌شناسی ریاضیاتی است. هدف سیستم‌های محاسباتی زیستی پیاده‌سازی و استفاده از الگوریتم‌های کارآمد، ساختمان داده‌ها، و ابزارهای تصویرسازی و ابزارهای ارتباطات با هدف شبیه‌سازی کامپبوتری سیستم‌های زیستی است. این مدلسازی شامل استفاده از شبیه‌سازی‌های کامپیوتری سیستم‌های بیولوژیکی من جمله زیرسیستم‌های سلولی (مثل شبکه‌های متابولیت‌ها و آنزیم‌های دخیل در متابولیسم (سوخت و ساز) گذرگاه‌های سیگنالینگ و شبکه‌های تنظیمی ژن) به منظور تحلیل و هم چنین تصویرسازی ارتبطات پیچیده بین این فرآیندهای سلولی است.
حیات مصنوعی یا تکامل مجازی در تلاش است که فرآیندهای تکاملی را به وسیله شبیه‌سازی کامپیوتری شکل‌های ساده (مصنوعی) زندگی درک کند.
بررسی اجمالی
همان‌طور که می‌دانیم ویژگی‌های بروزیافته در یک سیستم پیچیده نتیجه فعل و انفعال بین اجزای یکپارچه و ساده‌تر است. سیستم‌های زیستی نمونه‌های مهم و متعددی از ویژگی‌های ناشی از فعل و انفعالات پیچیده اجزا را آشکار می‌کنند. مطالعه سنتی سیستم‌های بیولوژیکی نیازمند روش‌هایی تقلیلی است که در آن مقادیر داده‌ها به صورت دسته‌بندی شده جمع‌آوری می‌شوند مثل غلظت در طول زمان در پاسخ به محرکی خاص.
کامپیوترها برای تحلیل و مدلسازی این داده‌ها حیاتی هستند. هدفساخت مدل‌های بی‌درنگ و دقیقی از پاسخ یک سیستم به محرک‌های محیطی و درونی است، مثل مدل سلول سرطانی به منظور یافتن ضعف‌ها در گذرگاه‌های سیگنالینگ آن یا مدلسازی جهش‌ها ی کانال یونی برای مشاهده اثرات آن بر قلب و عملکرد قلب تپنده.
استانداردها
فرمت استانداردی که تاکنون به صورت گسترده برای ذخیره‌سازی وتبادل مدل‌ها پذیرفته شده، زبان نشانه گذاری زیست سیستمی (SBML) است. وب سایت SBML.org شامل یک راهنما برای بسیاری از بسته‌های نرم‌افزاری مهم مورد استفاده در زیست‌شناسی سیستمی محاسباتی است. زبانهای دیگر نشانه گذاری با تاکیدات مختلف شامل BioPAX و CellML هستند.
وظایف خاص
مدل سلولی
بخشی از چرخه سلولی
شبکه مواد غذایی Summerhayes و Eltonدر سال ۱۹۲۳ از جزیره خرس (فلش نشان دهنده یک موجود زنده است که توسط موجود زنده دیگر مصرف می‌شود).
Lotka–Volterra. توجه داشته باشید که دو جمعیت رفتار چرخه‌ای از خود نشان می‌دهند .
مدلسازی سلول یک وظیفه چالشی زیست‌شناسی سیستمی و زیست‌شناسی ریاضیاتی است که شامل استفاده از شبیه‌سازی‌های کامپیوتری تعداد زیادی از زیرسیستم‌های سلولی مثل شبکه‌های متابولیتی و آنزیم‌های دخیل در سوخت و ساز، مسیرهای سیگنالینگ و شبکه‌های تنظیم کننده ژن به منظور تحلیل و تصویرسازی ارتباطات پیچیده این فرآیندهای سلولی است.
شبکه پیچیده‌ای از واکنش‌های بیوشیمیایی/فرآیندهای حمل و نقل و سازماندهی مکانی آن‌ها، توسعه مدل پیش بینی کننده یک سلول زنده را همان‌طور که توسط بنیاد ملی علوم (NSF) در سال ۲۰۰۶ ذکر شده، تبدیل به یک چالش بزرگ برای قرن ۲۱ کرده است.
مدلی محاسباتی که برای سلول باکتری مایکوپلاسما ژنیتالیوم توسط دانشمندان دانشگاه استنفورد و موسسه جی کریگ ونتر پیشنهاد شده است شامل تمام ۵۲۵ ژن آن، محصولات ژنی و تعاملات آن‌ها است و در ۲۰ ژوئیه ۲۰۱۲ در مجله سلول چاپ شده است.
یک مدل کامپیوتری پویا از سیگنالینگ درون سلولی، پایه و اساس داروهای Merrimack به منظور هدفیابی برای داروهای سرطان MM-111 بود.
محاسبات غشایی به منظور مدلسازی غشای سلول هستند
شبیه‌سازی موجودات چند سلولی
شبیه‌ساز متن باز C. elegans در سطح سلولی توسط انجمن OpenWorm دنبال شده است. تا کنون موتور فیزیک Gepetto ساخته شده و مدل‌های کانکتوم‌های عصبی و سلول‌های عضلانی در فرمت NeuroML ایجاد شده است.
تاشوندگی پروتئین
یش بینی ساختار پروتئین در حقیقت پیش بینی ساختار سه بعدی یک پروتئین از توالی آمینو اسیدی یا پیش بینی ساختار سوم پروتئین از ساختار اولیه آن است. این یکی از مهم‌ترین اهداف دنبال شده توسط بیوانفورماتیک و شیمی نظری است. پیش بینی ساختار پروتئین از اهمیت بالایی در پزشکی (برای مثال، در طراحی دارو) و بیوتکنولوژی (برای مثال، در طراحی آنزیم‌های جدید) برخوردار است. هر دو سال، عملکرد روش‌های فعلی در آزمایش CASP ارزیابی می‌شود.
سیستم‌های زیستی انسان
مدل مغز
پروژه مغز آبی تلاش برای ایجاد یک مغز مصنوعی توسط مهندسی معکوس مغز پستانداران در سطح مولکولی است. هدف از این پروژه که در ماه مه سال ۲۰۰۵ توسط موسسه مغز و ذهن پلی تکنیک اکول لوزان، سوئیس، تاسیس شده است، مطالعه اصول معماری و کاربردی مغز است. این پروژه توسط مدیر موسسه، هنری مارکرام رهبری می‌شود. این شبیه‌سازی به کمک استفاده از یک ابرکامپیوتر ژن آبی و اجرای نرم‌افزار نورون مایکل هاینز انجام می‌شود که تنها شامل شبکه‌های عصبی مصنوعی ساده نیست بلکه شامل یک مدل بیولوژوکی نسبتا واقعی از سلول‌های عصبی است. طرفداران این پروژه امیدوار هستند که توسط آن از ماهیت آگاهی مطلع شوند.. پروژه مغز بشر بر مبنای کار پروژه مغز آبی ساخته شده است. این یکی از شش طرح آزمایشی است که در برنامه پژوهشی فن آوری‌های ظهورشونده کمیسیون اروپا، برای بودجه میلیارد یورویی رقابت می‌کند.
مدلسازی سیستم ایمنی بدن
دهه گذشته شاهد ظهور تعداد فزاینده‌ای از شبیه‌سازی‌های سیستم ایمنی بدن بود.
کبد مجازی
پروژه کبد مجازی یک پروژه ۴۳ میلیون یورویی است که بودجه آن توسط دولت آلمان تامین شده و از هفتاد گروه تحقیقاتی در سراسر آلمان تشکیل شده است. هدف از این پروژه ساخت مدل ریاضیاتی پویایی است که نشان دهنده فیزیولوژی، مورفولوژی و عملکرد کبد انسان است.
مدل درختی
درختان الکترونیکی (e-درختان) معمولا با استفاده از سیستم‌های-ال رشد را شبیه‌سازی می‌کنند. سیستم‌های ال در زمینه علم پیچیدگی و حیات بسیار مهم هستند. هنوز نیاز به ابداع یک سیستم پذیرفته شده جهانی برای توصیف تغییر در مورفولوژی گیاهی در سطح سلولی یا مدولار هستیم. الگوریتم‌های تولید درختی که به طور گسترده پیاده‌سازی شده‌اند در مقالات "Creation and Rendering of Realistic Trees", and Real-Time Tree Rendering توصیف شده‌اند
مدل‌های اکولوژیکی
مدل‌های اکوسیستم بیان ریاضی اکوسیستم‌ها هستند. به طور معمول آنها شبکه‌های غذایی پیچیده را به اجزای اصلی آن‌ها یا سطوح غذایی ساده کرده و آن را به عنوان کمیت تعداد ارگانیسمها، زیست توده یا موجودی/غلظت برخی عناصر شیمیایی مربوطه (برای مثال کربن یا گونه‌های مغذی مانند نیتروژن یا فسفر) در نظر می‌گیرند.
مدل‌ها در بوم آلاینده شناسی
ورود هر نوع ماده خارجی به آب، هوا و خاک به میزانی که کیفیت فیزیکی، شیمیایی یا بیولوژیکی اجزای محیط را تغییر داده و به حال موجودات زنده مضر باشد، آلودگی نام دارد. مباحثی مرتبط که در بوم آلاینده شناسی مطرح می‌شود شامل مواد آلاینده طبیعی، مواد آلاینده مصنوعی، تقسیم‌بندی آلودگیها، اثرات مواد آلاینده و آلودگی توسط مواد رادیواکتیو می‌باشد.
هدف از مدل‌ها در ب وم آلاینده شناسی است فهم، شبیه‌سازی و پیش بینی اثرات ناشی از سموم در محیط زیست است. رایج‌ترین مدل‌های موجود اثرات را در یکی از سطوح متعدد و مختلف سازمان‌های زیستی (به عنوان مثال موجودات زنده یا جمعیت) توصیف می‌کنند. توسعه این مدل‌ها در جهت پیش بینی اثرات در مقیاس‌های زیستی از چالش‌های موجود است. بوم آلاینده شناسی تعدادی از این مدل‌ها را مورد بحث قرار داده و ارتباط به تعدادی دیگر را فراهم می‌کند.
مدلسازی بیماری‌های عفونی
ظهور مجدد برخی از بیماری‌های عفونی گذشته و پیدایش بیماری‌های عفونی جدید توجه ویژه سامانه‌های بهداشتی را به مسایل مربوط به بیماری‌های عفونی معطوف ساخته است
این امکان وجود دارد که پیشرفت بسیاری از بیماری‌های عفونی را برای اطلاع از احتمالهمه گیر ی یا برای کمک به مدیریت آنها توسط واکسیناسیون به صورت ریاضی مدل کرد. این زمینه در تلاش برای پیدا کردن پارامترهای مختلف بیماری‌های عفونی و استفاده از این پارامترها برای محاسبه اثرات توده‌ای برنامه واکسیناسیون است.
تجسم داده‌های زیستی
شبیه‌سازی زیستی
الگوریتم گیلیسپی
نرم‌افزار مدلسازی مولکولی
شبیه‌سازی تصادفی