Transcript Nelineárna dynamika a biológia: „Samoorganizácia“

Táto prezentácia bola použitá v rámci projektu
http://provek.fns.uniba.sk
Projekt je spolufinancovaný Európskou úniou.
Portál Európske únie http://www.europa.eu.int/
European Social Fund http://europa.eu.int/comm/employment_social/esf2000
ESF na Slovensku http://www.esf.gov.sk/
ITMS 11230310158
BIOFYZIKÁLNA CHÉMIA
Od matematiky k biológii a medicíne a späť.
Budú prírodné vedy v 21. storočí znovu zjednotené?
Ivan Valent
Katedra fyzikálnej a teoretickej chémie
[email protected]
Chemické oscilácie: Briggsova-Raucherova reakcia
•
•
•
•
•
•
24 ml H2O + 1 ml škrobu
25 ml 0,268 M KIO3
20 ml 6 M H2O2
10 ml 0,5 M kyselina malónová
10 ml 0,53 M HClO4
10 ml 0,067 M MnSO4
Biologické rytmy
• sekundové – tlkot srdca (EKG),
mozog (EEG)
• denné (cirkadiánne) - spánok
• mesačné, ročné
• dlhodobé – doba kamenná, železná
Chemické vlny: Belousovova-Žabotinského reakcia
Kurin-Csörgei, K., Zhabotinsky, A. M., Orbán, M.
and Epstein, I. R., "The bromate-1,4- cyclohexanedione-ferroin gas-free oscillating reaction. I. Basic
features and crossing wave patterns in a reactiondiffusion system without gel,"
J. Phys. Chem. 100, 5393 (1996).
Klasický systém:
1. 67 ml H2O + 5 g NaBrO3 + 2 ml H2SO4
2. 1 g NaBr na 10 ml H2O
3. 1 g kyseliny malónovej na 10 ml H2O
4. 1 ml 0,025 M feroínu
Boris P. Belousov: Cesta k objavu
• Narodil sa v rodine ruského účtovníka na konci
19. storočia.
• Možno prvý záujem o chémiu v ňom prebudil
nápad vyrobiť spolu so starším bratom bombu pre
atentát na cára.
• Na začiatku 50-tych rokov 20. stor. napísal článok
o oscilačnej reakcii. Článok poslal do vedeckého
časopisu, kde ho odmietli publikovať z dôvodu, že
„také reakcie nie sú možné“.
• V polovici 50-tych rokov sa mladý biochemik S.E. Schnoll začal zaujímať o
periodické procesy v biochémii.
• Belousov sa nakoniec rozhodol vedu opustiť. Návod na reakciu prenechal
Schnollovi a súhlasil s napísaním vlastného článku:
Belousov, B. P., Sb. Ref. Rad. Med. 1958, 145 (1959).
Anatol M. Žabotinskij
A.M. Žabotinskij pod vedením S.E. Schnolla detailne
skúmal mechanizmus tejto reakcie; ako prvý použil
reakciu na štúdium priestorvých štruktúr. Tieto
výsledky zaujali fyzikov, ktorí podobné objavy už
očakávali...
Adjunct Professor of Chemistry, Department of
Chemistry, Brandeis University
Súčasné vyskumné záujmy:
• Experimentálne štúdium chemických vĺn a
priestorových štruktúr v priemyselných reaktoroch a
excitabilných biologických a ekologických systémoch.
• Matematické modelovanie a počítačové simulácie
vzniku priestorových štruktúr v chemických a
biologických reakčno-difúznych systémoch.
Periodická precipitácia: Liesegangove krúžky
• ióny ťažkých kovov (napr. Ag+, Cu2+, Co2+)
• gélové prostredie (želatína, agar)
• zrážadlo (NH3, K2Cr2O7)
Biologické systémy
Agregácia Dictyostelium discoideum
Vlny Ca2+ v srdcovom myocyte (I. Zahradník, ÚMFG SAV)
Deterministický chaos
Lorenzov atraktor
nekonečne zložité správanie
Nelineárna dynamika
Skúma sústavy (fyzikálne, chemické,
biologické, ekonomické,
sociologické, ...)
vzdialené od termodynamickej
rovnováhy, najmä ich vývoj v čase a
priestore
“It has to be physiology?…
I’d be delighted to study it
and find out all about it,
because I can guarantee you
it would be very interesting.”
Richard P. Feynman
In: Richard P. Feynman, The Pleasure of Finding Things Out, Perseus Publishing,
Cambridge, Massachusetts, 1999, p. 203.
Cieľ systémovej biológie
Aby sme porozumeli biológii na úrovni
celých systémov, musíme skúmať štruktúru a
dynamiku funkcie bunky a organizmu ako
celku, namiesto charakterizácie izolovaných
častí týchto bilogických sústav.
Hiroaki Kitano, Systems Biology: A Brief Overview,
Science, 295, 1662 (2002).
Tento cieľ vyžaduje posun v myslení „čo v biológii hľadať“.
Aj keď skúmanie génov a proteínov zostáva dôležité,
hlavným zameraním je pochopenie systémovej štruktúry a
dynamiky.
Systémová biológia a počítačové modelovanie
„Vysvetlenie zložitých biologických systémov vyžaduje spojenie
experimentálneho a počítačového výskumu. Počítačová biológia,
pomocou modelovania a teoretickej interpretácie, ponúka
významný prostriedok na riešenie kľúčových vedeckých otázok
súčasnosti.“
Hiroaki Kitano, Computational systems biology, Nature, 420, 206 (2002).
„Systémová fyziológia 21. storočia sa nezvratne
stáva kvantitatívnou vedou, a preto jednou z
disciplín, ktoré najintenzívnejšie využívajú
výpočtovú techniku.“
Denis Noble, Modeling the Heart - from Genes to Cells
to the Whole Organ, Science, 295, 1678 (2002).
Neurodynamics
Computational Biology
Biophysics
Mathematical Physiology
Mathematical Biology
Bioinformatics
Biophysical Chemistry
Computational Neuroscience
Výskum založený na hypotézach v
systémovej biológii
H. Kitano, Science, 295, 1662 (2002)
http://systemsbiology.rcsi.ie/apopto-cell.html
Vápnikové záblesky a vlny
bunka srdcového svalu
Konfokálna mikroskopia, Ústav
molekulárnej fyziológie a genetiky SAV,
Bratislava
I. Zahradník, A. Zahradníková
Štruktúra svalovej bunky
Štruktúra svalovej bunky
Štruktúra svalovej bunky
ECCU – excitation-contraction coupling unit
t-tubulus
DHPR
Cisterna SR
RyR
Typická cicavčia svalová bunka obsahuje cca 10 000 ECCU
Stochastické difúzne procesy:
Šírenie vápnikovej vlny
Analytické riešenie
parciálnej diferenciálnej
rovnice s generáciou
náhodných čísiel
S. Coombes, R. Hinch, and Y. Timofeeva, Prog. Biophys. Mol. Biol. 85, 197 (2004).
Budúcnosť prírodných vied v postgenómovej ére
Howard Hughes Medical Institute
Searching for group leaders at the
Janelia Farm Research Campus
“… We will promote the self-assembly of
interdisciplinary teams of scientists who
seek to break through existing barriers. …”
(www.hhmi.org/janelia)