✨Sinh học hệ thống

nhỏ|Hệ thống vi khuẩn E.Coli Sinh học hệ thống là một lĩnh vực nghiên cứu sinh học khá mới mẻ tập trung vào việc nghiên cứu một cách có hệ thống các tương tác phức tạp trong các hệ thống sinh học. Từ năm 2000 trở lại, thuật ngữ này được dùng nhiều trong khoa học sinh học, và trong các ngữ cảnh khác.

Tổng quan

Sinh học hệ thống có thể được nhìn nhận dưới nhiều góc độ khác nhau:

• Một số cho rằng sinh học hệ thống là một lĩnh vực nghiên cứu, cụ thể tập trung vào tìm hiểu các tương tác của các thành phần của các hệ thống sinh học, và những sự tương tác này sẽ đưa đến chức năng cũng như hành vi như thế nào của hệ thống đó (ví dụ, enzyme và sự trao đổi chất trong một quá trình trao đổi chất).
• Một số lại xem sinh học hệ thống là các giao thức để thực hiện nghiên cứu (operational protocols used for performing research), hay gọi là một chu trình bao tạo bởi các lý thuyết, mô hình tình toán để đưa ra các giải thuyết có thể kiểm chứng được về một hệ thống sinh học, kiểm chứng thực nghiệm, và dùng các mô tả định lượng mới thu thập được về các tế bào hay quá trình tế bào để chỉnh sửa mô hình tính toán hay lý thuyết. Vì mục tiêu là tạo ra mô hình của các hệ thống, các kĩ thuật thực nghiệm mà phù hợp nhất với sinh học hệ thống là những cái được dùng khắp trên thể giới và cố gắng càng hoàn thiện càng tốt. Vì thế, transcriptomics, metabolomics, proteomics và các kĩ thuật có đầu ra lớn (high-throughput technique) đang được dùng để thu thập dữ liệu định lượng để xây dựng và kiểm chứng các mô hình.
• Cuối cùng, một số lại xem sinh học hệ thống là hiện tượng khoa học xã hội (socioscientific phenomenon) được định ra bởi chiến lược theo đuổi sự tích hợp các dữ liệu phức tạp về mối tương tác trong các hệ thống sinh học từ nhiều nguồn thực nghiệm đa dạng bằng cách sử dụng các công cụ đa ngành.

Sự đa dạng về quan điệm này cho thấy sinh học hệ thống là một mảng liên quan đến nhiều ngành hơn là một lĩnh vực đơn lẻ.

Lịch sử

Sinh học hệ thống xuất phát từ:

• mô hình định lượng các động học enzyme (enzyme kinetics), một lĩnh vực nở rộ vào giai đoạn giữa 1900 và 1970,
• mô phỏng được phát triển từ nghiên cứu bệnh học thần kinh (neurophysiology), và
• lý thuyết điều khiển, và điều khiển học (cybernetics).

Một trong những nhà lý thuyết học được xem là người đi đầu của sinh học hệ thống là Ludwig von Bertalanffy với lý thuyết các hệ thống chung (general systems theory). Một trong những mô phỏng đầu tiên trong sinh học được xuất bản năm 1952 bởi các nhà bệnh học thần kinh của Anh và là những nhà đoạt giải Nobel là Alan Lloyd Hodgkin và Andrew Fielding Huxley, người đã xây dựng nên mô hình toán để giải thích việc lan truyền dọc theo trục thần kinh (axon) của một tế bào thần kinh . Mô hình của họ đã giải thích một chức năng tế bào xuất phát từ sự tương tác giữa hai thành phần phân tử khác nhau, một kênh kali (potassium) và natri (sodium), và từ đó được xem là sự khởi đầu của sinh học hệ thống tính toán . Vào năm 1960, Denis Noble đã phát triển mô hình máy tính đầu tiên cho máy điều hòa nhịp tim (heart pacemacker) .

Vào thập niên 1960 và 1970 đã chứng kiến sự phát triển của nhiều hướng tiếp cận để nghiên cứu các hệ thống phân tử phức tạp, như Metabolic Control Analysis và biochemical systems theory. Sự thành công của sinh học phân tử trong suốt thập niên 1980, đã được xem là sự hướng đến sinh học lý thuyết, đã hứa hẹn nhiều hơn những gì đạt được.

Tuy nhiên, sự ra đời của functional genomics vào thập niên 1990 đã cho phép thu thập một lượng lớn dữ liệu chất lượng cao, trong khi sức mạnh máy tính thì bùng nổ, giúp cho việc mô hình thực tiễn trở thành hiện thực. Vào năm 1997, nhóm của Masaru Tomita đã xuất bản một mô hình định lượng đầu tiên về sự trao đổi chất của toàn bộ tế bào (giả thuyết).

Vào khoảng năm 2000, khi Viện Sinh học Hệ thống (Institutes of Systems Biology) được thành lập ở Seattle và Tokyo, sinh học hệ thống phát triển mạnh và nhờ vào sự hoàn thành các dự án bản đồ gene khá nhau, và sự ra đời của lượng lớn dữ liệu từ họ omics (ví dụ: genomics và proteomics) và sự phát triển của các kĩ thuật thực nhiệm tốc độ cao và tinh sinh học. Từ đó, nhiều viện nghiên cứu chuyên về sinh học hệ thống đã được thiết lập. Vào mùa hè năm 2006, vì sự thiếu hụt về nhân lực trong sinh học hệ thống nhiều trung tâm đào tạo tiến sĩ về sinh học hệ thống đã được thiết lập trên khắp thế giới.

Những chuyên gia hàng đầu hiện nay là: Leroy Hood, Trey Ideker, Douglas Lauffenburger, Jim Collins, George Church, Marc Vidal, Laszlo Barabasi, Bernhard Palsson, Uri Alon, Andrea Califano, và Gustavo Solovitsky.