Моделювання біологічних систем

Частина клітинного циклу

Створення клітинної моделі було особливо складним завданням системної та математичної біологій. Це включає в себе використання комп'ютерного моделювання багатьох клітинних підсистем, таких як мережа метаболітів і ферментів, які містять обмін речовин, сигнальних шляхів і генних регуляторних мереж як аналізу, так і візуалізації складних з'єднань цих клітинних процесів . Комплексна мережа біохімічних процесів реакцій транспортування та їх просторової організації складає розвиток прогностичної моделі живої клітини — грандіозний виклик 21 -му століттю. У 2006 році Національний науковий фонд (англ. NSF) кинув грандіозний виклик системній біології в 21 століття — побудова математичної моделі всієї клітини. Проєкт E -Cell спрямований на те, «щоб зробити можливим точне моделювання клітин на молекулярному рівні» CytoSolve — розроблена В. А. Шива Аяйдурай і С. Форбс Дьюї –мл., Департаменту біологічної інженерії в Массачусетському технологічному інституті — запропоновано спосіб моделювання всієї клітини, динамічно інтегруючи кілька моделей молекулярних шляхів. Обчислювальна модель цілої клітини для бактерії Mycoplasma genitalium, включає всі її 525 генів, генних продуктів і їх взаємодії, була побудована вченими з Стенфордського університету та інституту Дж. Крейга Вентера і опублікована 20 липня 2012 року в журналі «Клітина». Динамічна комп'ютерна модель внутрішньоклітинної сигналізації послужила основою для Merrimack Pharmaceuticals, що дозволило визначити ціль для їхньої ракової медицини ММ -111. Завданням мембранного обчислення є моделювання спеціальної клітинної мембрани.

Зразок часових рядів моделі Лотки-Вольтерра. Зверніть увагу, що дві популяції демонструють циклічну поведінку

Моделювання з відкритим вихідним кодом C. Елеганс на клітинному рівні вивчається спільнотою OpenWorm. Досі побудова фізичного двигуна Gepetto та моделі нейронного зв'язку і м'язових клітин були створені у форматі NeuroML.

Структура білка передбачає тривимірну структуру білка з його амінокислотної послідовності, тобто — третинну структуру білка за його первинної структури . Це одна з найважливіших цілей, переслідуваних біоінформатикою та теоретичною хімією. Передбачення структури білка має велике значення в медицині (наприклад, у розробці лікарських препаратів) і біотехнології (наприклад, в конструкції нових ферментів). Кожні два роки продуктивність сучасних методів оцінюється в експерименті CASP .

Мозкова модель

Проєкт «Блакитного Гена» є спробою створити синтетичний мозок за допомогою реверсивної інженерії мозку ссавців аж до молекулярного рівня. Мета проєкту, заснованого у травні 2005 року у Політехнічній школі Інституту мозку в Лозанні, Швейцарія є вивчення архітектурних і функціональних принципів мозку. Проєкт очолює директор Інституту, Генрі Маркрам. Використання нейронного програмного забезпечення Майкла Хайнса на суперкомп'ютері Блакитного Гена відрізняється тим, що моделювання складається не просто зі штучної нейронної мережі, але й частково включає в себе біологічно реалістичну модель нейронів. Його прихильники сподіваються, що в кінцевому підсумку вона проллє світло на природу свідомості. Є ряд підпроєктів, в тому числі «Cajal Blue Brain», який координується з одного боку Суперкомпютером і Центром Візуалізації Мадрида з іншого (CeSViMa), та інші керовані університетами і незалежними лабораторіями у Великій Британії, США та Ізраїлю. Проєкт «Людський мозок» ґрунтується на проєкті «Блакитного мозку». Це один з шести основних проєктів у Технологічній Дослідницькій Програмі Розвитку Майбутньої Інженерії Європейської комісії, що конкурують за фінансування у мільярд євро.

Модель імунної системи

В останнє десятиліття ми стали свідками появи все більшого числа симуляцій імунної системи.

Віртуальна печінка

Проєкт «Віртуальна печінка» — це дослідницька програма вартістю 43 млн євро заснована урядом Німеччини, що складається з сімдесяти дослідницьких груп розподілених по всій Німеччині. Мета полягає в створенні віртуальної печінки, динамічної математичної моделі, яка відтворює фізіологію печінки людини, морфологію та її функції.

Модель дерева

Електронні дерева (e-trees) зазвичай користуються L -системою для моделювання росту. L — системи дуже важливі в галузі складної науки і A-життя. Загальновизнаної системи для опису змін у морфології рослин на клітинному або модульному рівні досі не винайшли. Найбільш широко описані алгоритми генерації дерев в статтях «Створення та Представлення Реалістичного Дерева» і «Дерево в режимі реального часу».

Екологічні моделі

Екологічні моделі — це математичне уявлення екосистем. Як правило, вони націлені на спрощення складних поживних ланцюгів до їх основних компонентів або трофічних рівнів та визначення їх як кількість організмів, біомаси або запасів концентрації відповідного хімічного елемента (наприклад, вуглецю, азоту або фосфору) .

Моделі в екотоксикології

Метою моделей в екотоксикології є розуміння, моделювання та прогнозування ефектів, викликаних токсикантами у навколишньому середовищі. Більшість сучасних моделей описують вплив на один з багатьох різних рівнів біологічної організації (наприклад, організм або популяцію). Завдання полягає в розробці моделей, які здатні передбачити наслідки у біологічних масштабах. «Екотоксикологія та моделі» розглядає деякі типи екотоксикологічних моделей і надає посилання на багато інших.

Моделювання інфекційного захворювання

Можна моделювати прогрес більшості інфекційних захворювань, математично виявити ймовірні наслідки епідемії або допомогти управляти ними за допомогою вакцинації. Ця область намагається знайти параметри для різних інфекційних захворювань і використовувати ці параметри, щоб зробити корисні розрахунки впливу програми масової вакцинації.