Detail předmětu

Systémová biologie

FEKT-MPC-SYSAk. rok: 2018/2019

Předmět je orientován na získání znalostí o metodách systémové biologie, tvorbě modelů buněčných organismů a možnostech jejich využití. Zaměřuje se na studium počítačových metod popisu chování živých organismů na molekulární úrovni využitelných v buněčné biologii, biochemii a biotechnologii.
Uvažované modely jsou reprezentovány rozsáhlými síťovými grafy. Důraz je kladen na metodologii analýzy těchto modelů, a to jak analýzu statickou, tak analýzu dynamickou, především kvantitativní pomocí ODE modelů. Je postupováno podle konceptu hierarchie, přičemž jsou prezentovány všechny vrstvy od genových regulačních sítí, přes signální dráhy až po metabolické sítě. Tyto modely jsou ilustrovány na systémech konkrétních organizmů, převážně jednobuněčných.

Jazyk výuky

čeština

Počet kreditů

5

Garant předmětu

prof. Ing. Valentine Provazník, Ph.D.

Zajišťuje ústav

Ústav biomedicínského inženýrství (UBMI)

Výsledky učení předmětu

Absolvent předmětu je schopen:
- matematicky popsat hlavní komponenty genové exprese
- matematicky popsat hlavní komponenty signálních drah
- matematicky popsat hlavní komponenty neuronových sítí
- analyzovat síťové grafy pomocí síťových motivů
- vyjmenovat hlavní síťové motivy transkripčních sítí, sítí signálních drah a nervové soustavy
- vysvětlit principy hlavních síťových motivů transkripčních sítí, sítí signálních drah a nervové soustavy
- popsat experimentální metody v systémvé biologii

Prerekvizity

Student, který si zapíše tento předmět by měl být schopen popsat buněčný systém, jeho hlavní komponenty z hlediska složení a funkce; dále analyzovat systémy obyčejných diferenciálních rovnic a aplikovat základní znalosti z oblasti pravděpodobnostních rozložení náhodných veličin a kombinatoriky. Obecně jsou požadovány znalosti na úrovni bakalářského studia.

Plánované vzdělávací činnosti a výukové metody

Metody vyučování zahrnují přednášky a cvičení na počítači. Předmět využívá e-learning (Moodle).

Způsob a kritéria hodnocení

až 22 bodů za cvičení
až 78 bodů za zkoušku.
Zkouška je písemnou formou.

Osnovy výuky

1. Vymezení oboru systémové biologie, top-down a bottom-up přístupy
2. Biologický úvod, statická vs. dynamická analýza, princip hierarchie
3. Databáze pro systémovou biologii, modelové organismy
4. Kinetika chemických reakcí, princip dynamické analýzy
5. Transkripční sítě, princip statické analýzy
6. Síťové motiv negativní autoregulace
7. Síťové motivy typu FFL
8. Síťové motivy typu SIM, zobecněné motivy FFL, DOR
9. Signální transdukční dráhy, intercelulární komunikace
10. Vícevrstvé síťové motivy, motivy v developmentálních sítích
11. Profilování genové exprese, genová ontologie a statisticky významné geny
12. Parametrizace modelů a estimace parametrů
13. Experimentální metody systémové biologie – microarrays, RNA-seq

Učební cíle

Cílem předmětu je poskytnout studentům základní orientaci v oblasti využití počítačových modelů v buněčné biologii a způsobu jejich využití a zvládnutí metod analýzy modelů pro systémovou biologii.

Vymezení kontrolované výuky a způsob jejího provádění a formy nahrazování zameškané výuky

Laboratorní výuka je povinná, řádně omluvené zmeškané laboratorní cvičení lze po domluvě s vyučujícím nahradit (obvykle v zápočtovém týdnu)

Základní literatura

Alon, U: An Introduction to Systems Biology, Design Principles of Biological Circuits. CRC, 2007, ISBN: 1-58488-642-0 (EN)
Konopka, A.K. Systems Biology: Principles, Methods, and Concepts. CRC, 2006, ISBN: 978-0824725204 (EN)
Rosypal, S. Nový přehled biologie. Scientia, Praha 2003. ISBN 80-7183-268-5 (CS)

Zařazení předmětu ve studijních plánech

  • Program MPC-BTB magisterský navazující 1 ročník, letní semestr, povinný

Typ (způsob) výuky

 

Přednáška

26 hod., nepovinná

Vyučující / Lektor

prof. Ing. Valentine Provazník, Ph.D.

Osnova

1. Úvod do systémové biologie - od molekulární biologie buňky k počítačovým modelům
2. Modelování biochemických systémů - matematické a počítačové modely popisující živé organismy
3. Specifické biochemické systémy - matematické modelování biologických a chemických procesů v příkladech
4. Lícování modelů - návrh a verifikace vhodných modelů, porovnání s reálnými živými systémy
5. Analýza vysoce průchodných dat - aktuální metody využívané v bioinformatice a jejich dopad na systémovou biologii
6. Modely genové exprese - matematické modelování genové exprese
7. Stochastické systémy a variabilita - od deterministického popisu témeř chaotických biochemických procesů k stochastickému
8. Struktura sítí, dynamika a funkce - sítě modelů a jejich použití
9. Optimalita a evoluce - pokročilé dynamické a adaptivní modely pro vyvíjející se procesy
10. Experimentální techniky v molekulární biologii
11. Lineární řídicí systémy v modelování
12. Nástroje počítačového modelování v praxi
13. Budoucnost systémové biologie

Cvičení na počítači

26 hod., povinná

Vyučující / Lektor

prof. Ing. Valentine Provazník, Ph.D.

Osnova

1. Specifické biochemické systémy - matematické modelování biologických a chemických procesů.
2. Modely genové exprese - matematické modelování genové exprese.
3. Stochastické systémy a variabilita - od deterministického popisu témeř chaotických biochemických procesů k stochastickému
4. Optimalita a evoluce - pokročilé dynamické a adaptivní modely pro vyvíjející se procesy
5. Vybrané nástroje počítačového modelování
6. Samostatný projekt