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系統生物學

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生物學系統方法的示意圖

系統生物學（systems biology），是一個使用整體論（而非還原論）的方式， 整合不同學科、層次的資訊，以研究、分析、理解（即多組學整合分析）生物系統如何行使功能的學術領域。系統生物學通過研究各個生物系統內部所有組成成分間，各分子層面上的相互關係和相互作用（例如，與細胞信號傳送、代謝通路[1]、細胞器、細胞、生理系統與生物等相關的基因和蛋白網絡），期望最終能夠建立整個系統的可理解模型，以及為有機體繪製完整圖譜。系統生物學使用計算機模擬，數學分析的方法來構建複雜生物系統的模型。

系統生物學不同於以往只注意個別的基因和蛋白質的實驗生物學，研究所有的基因、所有的蛋白質和組分間的所有相互關係；其目標是：對複雜的生物系統構建計算的數學模型，從總體上預測生物系統的真實性。特別是從2000年開始，這個概念在各種環境下被廣泛用於生物學。人類基因組計劃是生物學中應用系統思維的一個例子，它導致新的合作的方式來處理在遺傳學生物學領域的問題。系統生物學的目標之一是模擬和發現湧現的特性，細胞的，組織的和生物體的特性，作為一個系統，其理論描述只能用系統生物學的技術進行[2]。這些通常涉及代謝網絡或細胞信號傳送網絡[1]。

系統生物學開始於對基因和蛋白質的研究，該研究使用高通量技術來測定某物種在給定條件干涉下基因組和蛋白質組的變化。研究基因組的高通量技術包括用來測定mRNA變化的生物晶片技術。高通量蛋白質組學方法包括質譜，該技術用於鑑定蛋白質，檢測蛋白修飾和量化蛋白質表現水平。

歷史

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系統生物學的概念由來已久。生物學家及生化學家早就意識到，縱向的單個分子及其通路〔如蛋白質，或更常見的酶〕細緻研究僅僅是對於認識生命科學的可行的、必要的開始。當代生物科學的進展—生物資訊學—即是對以往的個別研究的歸納和演繹。

系統科學最初源自對還原論、機械論反省的有機體思維、綜合哲學，以及C.貝爾納與W.B.坎農對生物穩態現象的揭示，從貝塔郎菲的一般系統論與理論生物學、維納與艾什比的控制論到香農的資訊論與I.普里戈津的耗散結構理論，將生命現象看作自組織化系統，1950年代形成了系統心理學，貝塔郎菲1950年發表《物理學與生物學中的開放系統理論》創立一般系統論奠基了系統生物學基礎。

1968年國際系統論與生物學（systems theory and biology）會議提出以系統論（整合的）方法研究生物學的體系。

1970-80年代，系統論與生物學、系統生物學等概念發表，美國NIH資料庫PubMed可以檢索到系統生物醫學（systems biomedicine）。採用系統方法研究生態系、器官系統的系統生態學、系統生理學等學科先後建立與成熟。細胞生物學、生物化學與分子生物學的發展，艾根從分子水平研究細胞起源提出了超循環理論，開創了細胞、分子層次的生物系統理論探討。

1989年在美國召開了生物化學系統論與計算機模型研究的國際會議，研討了生物系統的計算機方法、數學模型與定量研究。

21世紀伊始，系統生物學的發展進入了細胞信號傳導與基因表現調控研究的細胞、分子系統生物學時期，國際、國內的系統與合成生物學、系統遺傳學等研究機構紛紛建立而進入了系統生命科學時代。

2001年第二屆國際系統生物學會（2nd International Conference on Systems Biology；ICSB 2001）對」系統生物學」的解釋為：系統生物學是對生物體整個過程做一全面性的定量研究，並非以生物體的某一部分為對象。目的是要建立模式並以實驗來證實其可預測的生物體的表現)。簡單的說，這樣的研究方法就是利用資訊科學及微機電工程的技術來研究生物學的問題，最後並希望能夠利用電腦運算的結果，來預測細胞、器官、系統甚至完整生物體的表現。

最先把DNA測序自動化，同時也是1985年首先推動基因體計劃的科學家之一的勒羅伊·胡德（Leroy Hood）博士2000年最早建立系統生物學研究所，並認為系統生物學是研究一個生物系統內所有組成份的構成，以及在特定條件下這些組成份相互關係的學科。並在2000年1月與阿蘭·阿德雷姆（英語：Alan Aderem）及魯迪·艾伯索爾德（英語：Ruedi Aebersold）等學者創立一個非營利性質的研究機構：系統生物學研究所（Institute for Systems Biology），致力於系統生物學在生命科學相關領域的研究與應用。

勒羅伊·胡德博士在2001年3月訪問台灣時，對系統生物學曾有以下的描述：系統生物學是將DNA、RNA、蛋白質以及三者彼此之間的相互作用等資訊加以整合，並運用這些資料去建立出數學計量模型，以期能掌握所有生物基因與組織間的關係及運作。因此系統生物學的研究過程是先取得一個生物、組織或細胞系統，辨識出各種內部因素，在獲得DNA、RNA及蛋白質相互作用及資訊網絡方面整合所獲得的資訊，然後開發出能描述系統結構和行為的數學模型，最後可以藉由此一個模型系統，使這個系統可以自動執行所需的功能。因此系統生物學是結合許多不同學科的領域，透過彼此相互的網狀合作，針對一個生物現象所進行的研究。

而北野宏明（英語：Hiroaki Kitano）（Hiroaki Kitano）博士認為系統生物學的研究可以包含四大部分，分別利用資訊科學、分析、技術、基因組學四者形成環型而連續的關係，建立出一個新的研究模式[3]，並且利用這一模式所發展的一系列的工具來解決生物學家所面臨的研究問題。[4]

2008年美國NIH設立腫瘤的系統遺傳學研究專項基金。

相關領域

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細胞訊息傳遞途徑概述

根據使用跨學科工具從多個實驗中獲得，整合和分析複雜數據集的能力的系統生物學解釋，一些典型的技術平台包括：

在生物體表型變化，因為它在其壽命的變化。
在有機體的，組織的或細胞水平上的基因表現的量測，通過DNA微陣列或基因表達系列分析（英語：Serial analysis of gene expression）。
在有機體的，組織的或細胞水平上的被稱為代謝產物的小分子的量測。
在有機體的，組織的或細胞水平上的醣類的量測。
在有機體的，組織的或細胞水平上的脂質的量測。

除了上述給定分子的識別和量化之外，進一步的技術還分析細胞內的動力學和相互作用。 這包括：

在有機體的，組織的或細胞水平上的分子間相互作用的研究。
在有機體的，組織的或細胞水平上的分子隨時間變化的動態變化的量測。
生物群系的系統分析。

生物資訊學和資料分析

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計算機科學，資訊學和統計學的其他方面也用於系統生物學。

參見

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參考文獻

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引用

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  1. ^ 1.0 1.1 Bu, Zimei; Callaway, David J.E. Proteins MOVE! Protein dynamics and long-range allostery in cell signaling. Advances in Protein Chemistry and Structural Biology 83. Elsevier. 2011: 163–221 [2022-05-12]. ISBN 978-0-12-381262-9. PMID 21570668. doi:10.1016/b978-0-12-381262-9.00005-7. （原始內容存檔於2022-07-06） （英語）. 
  2. ^ Longo, Giuseppe; Montévil, Maël. Perspectives on Organisms - Springer. doi:10.1007/978-3-642-35938-5. 
  3. ^ （Kitano, 2002）
  4. ^ [曾湘文，2005]

來源

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外部連結

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維基共享資源上的相關多媒體資源：系統生物學

專業組織/研究機構

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研究團隊/實驗室

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軟件工具

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國際會議

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