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 شبیه سازی‌های 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 پیچیده‌ی بین این فرایندهای سلولی است.
حیات مصنوعی یا تکامل مجازی در تلاش است که فرایندهای تکاملی را به وسیله‌ی شبیه‌سازی کامپیوتری شکل‌های ساده‌ی (مصنوعی) زندگی درک کند.
بررسی اجمالی
همانطور که می‌دانیم ویژگی‌های بروزیافته در یک سیستم پیچیده نتیجه‌ی 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. مطالعه‌ی سنتی سیستم‌های بیولوژیکی نیازمند روش‌هایی تقلیلی است که در آن مقادیر داده‌ها به صورت دسته بندی 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 جهش‌های کانال یونی برای مشاهده‌ی اثرات آن بر قلب و عملکرد قلب تپنده.
استانداردها
فرمت استانداردی که تاکنون به صورت گسترده برای ذخیره‌سازی وتبادل مدل‌ها پذیرفته شده، زبان نشانه‌گذاری 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 نشانه‌گذاری با تاکیدات مختلف شامل BioPAX و CellML هستند.
وظایف خاص
مدل سلولی
بخشی از چرخه سلولی
شبکه مواد غذایی Summerhayes و Eltonدر سال 1923 از جزیره خرس (فلش نشان دهنده یک موجود زنده است که توسط موجود زنده‌ی دیگر مصرف می‌شود).
Lotka–Volterra . توجه داشته باشید که دو جمعیت رفتار چرخه‌ای از خود نشان می‌دهند .
مدلسازی سلول یک وظیفه‌ی چالشی زیست‌شناسی سیستمی و زیست‌شناسی ریاضیاتی است که شامل استفاده از شبیه سازی‌های کامپیوتری تعداد زیادی از زیرسیستم‌های سلولی مثل شبکه‌های متابولیتی و آنزیم‌های دخیل در سوخت و ساز ، مسیرهای سیگنالینگ و شبکه‌های تنظیم‌کننده‌ی ژن به منظور تحلیل و تصویرسازی ارتباطات پیچیده‌ی این فرایندهای سلولی است.
شبکه پیچیده‌ای از واکنش‌های بیوشیمیایی/فرایندهای حمل و نقل و سازماندهی مکانی آن‌ها، توسعه مدل پیش بینی‌کننده یک سلول زنده را همانطور که توسط بنیاد ملی علوم (NSF) در سال 2006 ذکر شده، تبدیل به یک چالش بزرگ برای قرن 21 کرده‌است.
مدلی محاسباتی که برای سلول باکتری مایکوپلاسما ژنیتالیوم توسط دانشمندان دانشگاه استنفورد و موسسه‌ی جی کریگ ونتر پیشنهاد شده‌است شامل تمام 525 ژن آن ،محصولات ژنی و تعاملات آن‌ها است و در 20 ژوئیه 2012 در مجله‌ی 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
چند سلولی موجود زنده شبیه‌سازی
شبیه ساز متن باز C. elegans در سطح سلولی توسط انجمن OpenWorm دنبال شده‌است. تاکنون موتور فیزیک Gepetto ساخته شده و مدل‌های کانکتوم‌های عصبی و سلول‌های عضلانی در فرمت NeuroML ایجاد شده‌است.
تاشوندگی پروتئین
پیش‌بینی ساختار پروتئین در حقیقت پیش‌بینی ساختار سه بعدی یک پروتئین از توالی آمینو اسید یا پیش‌بینی ساختار سوم پروتئین از ساختار اولیه آن است. این یکی از مهم‌ترین اهداف دنبال شده توسط بیوانفورماتیک و شیمی نظری است. پیش‌بینی 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 2005 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. با استفاده از یک ابرکامپیوتر ژن آبی و اجرای نرم‌افزار نورون مایکل هاینز، این شبیه‌سازی 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 شده‌است. این یکی از شش طرح آزمایشی است که در برنامه پژوهشی فناوری‌های ظهورشونده کمیسیون اروپا، برای بودجه میلیارد یورویی رقابت می‌کند.
مدلسازی سیستم ایمنی بدن
دهه گذشته شاهد ظهور تعداد فزاینده‌ای از شبیه سازی‌های سیستم ایمنی بدن بود.
کبد مجازی
پروژه کبد مجازی یک پروژه‌ی 43 میلیون یورویی است که بودجه‌ی آن توسط دولت آلمان تامین شده و از هفتاد گروه تحقیقاتی در سراسر آلمان تشکیل شده‌است. هدف از این پروژه ساخت مدل ریاضیاتی پویایی است که نشان دهنده‌ی 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 به‌طور 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. به‌طور 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 آلاینده‌شناسی
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 آلاینده‌شناسی مطرح می‌شود شامل مواد آلاینده طبیعی ، مواد آلاینده مصنوعی ، تقسیم بندی آلودگیها ، اثرات مواد آلاینده و آلودگی توسط مواد رادیواکتیو می‌باشد.
هدف از مدل‌ها در ب وم آلاینده شناسی است فهم، شبیه‌سازی و پیش‌بینی 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. توسعه‌ی این مدل‌ها در جهت پیش‌بینی اثرات در مقیاس‌های زیستی از چالش‌های موجود است.بوم آلاینده‌شناسی 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 احتمال همه 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 برنامه‌ی واکسیناسیون است.
تجسم داده‌های زیستی
شبیه‌سازی زیستی
الگوریتم گیلیسپی
نرم‌افزار مدلسازی مولکولی
شبیه‌سازی تصادفی