Sistemska biologija je računarska i matematička analiza i modeliranje složenih bioloških sistema. To je interdisciplinarno polje studija zasnovano na biologiji koje se fokusira na složene interakcije unutar bioloških sistema, koristeći holistički pristup (holizam umjesto tradicionalnijeg redukcionizma) biološkim istraživanjima.. Ova višestruka istraživačka oblast zahtijeva zajedničke napore hemičara, biologa, matematičara, fizičara i inženjera, kako bi se dešifrovala biologija složenih živih sistema, spajanjem različitih kvantitativnih molekularnih mjerenja sa pažljivo konstruisanim matematičkim modelima. Predstavlja sveobuhvatnu metodu za razumijevanje složenih odnosa unutar bioloških sistema. Za razliku od konvencionalnih bioloških studija koje se obično fokusiraju na izolovane elemente, sistemska biologija nastoji da kombinuje različite biološke podatke, kako bi stvorila modele koji ilustruju i objašnjavaju dinamičke interakcije unutar sistema. Ova metodologija neophodna je za razumijevanje složenih mreža gena, proteina i metabolita koji utiču na ćelijske aktivnosti i osobine organizama. Jedan od ciljeva sistemske biologije je modeliranje i otkrivanje emergentnih svojstava ćelija, tkiva i organizama koji funkcionišu kao sistem čiji je teorijski opis moguć samo korištenjem tehnika sistemske biologije. Istražujući kako funkcija proizlazi iz dinamičkih interakcija, sistemska biologija premošćuje jazove koji postoje između molekula i fizioloških procesa. Kao paradigma, sistemska biologija se obično definira u antitezi prema takozvanoj redukcionističkoj paradigmi (biološka organizacija), iako je u skladu sa naučnom metodom. Razlika između dvije paradigme spominje se u ovim citatima: "redukcionistički pristup uspješno je identificirao većinu komponenti i mnoge interakcije, ali, nažalost, ne nudi uvjerljive koncepte ili metode za razumijevanje kako se pojavljuju svojstva sistema... pluralizam uzroka i posljedica u biološkim mrežama se bolje rješava posmatranjem, putem kvantitativnih mjera, više komponenti istovremeno i rigoroznom integracijom podataka s matematičkim modelima". (Sauer et al.) "Sistemska biologija&nbsp... radi o sastavljanju, a ne o rastavljanju, integraciji, a ne o redukciji. To zahtijeva da razvijemo načine razmišljanja o integraciji koji su jednako rigorozni kao i naši redukcionistički programi, ali drugačiji.... To znači promjenu naše filozofije, u punom smislu te riječi." (Denis Noble) thumb|280px| Centralni tok bioloških informacija i odgovarajuća omika, s naglaskom na pristup sistemske biologije integriranja genomike, transkriptomike, proteomike i metabolomike radi povezivanja genotipa sa fenotipom. Djeluje kao niz operativnih protokola koji se koriste za izvođenje istraživanja, ciklus sastavljen od teorije, analitičkog ili računarskog modela za predlaganje specifičnih provjerljivih hipoteza o biološkom sistemu, eksperimentalne validacije, a zatim korištenja novostečenog kvantitativnog opisa ćelija ili ćelijskih procesa za usavršavanje računarskog modela ili teorije. Budući da je cilj model interakcija u sistemu, eksperimentalne tehnike koje najviše odgovaraju sistemskoj biologiji su one koje obuhvataju cijeli sistem i pokušavaju biti što potpunije. Stoga se multiomika (transkriptomika, metabolomika, proteomika, itd.) i visokopropusni skrining koriste za prikupljanje kvantitativnih podataka za konstrukciju i validaciju modela. Sveobuhvatan pristup sistemske biologije zahtijeva: temeljitu karakterizaciju organizma u pogledu njegovih molekularnih komponenti, interakcija među tim molekulama i kako te interakcije doprinose ćelijskim funkcijama; detaljnu prostorno-vremensku molekularnu karakterizaciju ćelije (naprimjer, dinamika komponenti, kompartmentalizacija i transport vezikula); i opsežnu sistemsku analizu "molekularnog odgovora" ćelije na vanjske i unutrašnje perturbacije. Nadalje, podatke iz (1) i (2) treba sintetizirati u matematičke modele, kako bi se testiralo znanje generiranjem predviđanja (hipoteza), otkrivanjem novih bioloških mehanizama, procjenom ponašanja sistema izvedenog iz (3) i konačno formuliranjem racionalnih strategija za kontrolu i manipulaciju ćelijama. Da bi se suočila s ovim izazovima, sistemska biologija mora uključiti metode i pristupe iz različitih disciplina koje se tradicionalno nisu međusobno povezivale. Pojava multiomičkih tehnologija transformirala je sistemsku biologiju, pružajući opsežne skupove podataka koji pokrivaju različite biološke slojeve, uključujući genomiku, transkriptomiku, proteomiku i metabolomiku. Ove tehnologije omogućavaju mjerenje biomolekula velikih razmjera, što dovodi do dubljeg razumijevanja bioloških procesa i interakcija. Sve se više koriste metode poput analize mreža, mašinskog učenja i obogaćivanja puteva za integraciju i interpretaciju multiomičkih podataka, čime se poboljšava razumijevanje bioloških funkcija i mehanizama bolesti.

Historija thumb|Trendovi u istraživanju sistemske biologije. Od 1992. do 2013. godine, broj članaka o razvoju baza podataka se povećao. Članci o algoritmima su fluktuirali, ali su ostali prilično stabilni. Broj članaka o mrežnim svojstvima i razvoju softvera ostao je nizak, ali je doživio porast otprilike na polovini vremenskog perioda 1992–2013. Broj članaka o analizi metaboličkog toka smanjio se od 1992. do 2013. godine. U 1992. godini, članci o algoritmima, jednačinama, modeliranju i simulaciji bili su najcitiraniji. U 2012. godini, najcitiraniji su bili članci o razvoju baza podataka. Holizam naspram redukcionizma

Teško je pratiti porijeklo i početke sistemske biologije. Sveobuhvatna perspektiva ljudskog tijela bila je ključna za medicinske prakse grčke, rimske i istočnoazijske tradicije, gdje su ljekari i mislioci poput Hipokrata vjerovali da su zdravlje i bolest povezani s ravnotežom ili poremećajem tjelesnih tekućina poznatih kao humori. Ova holistička perspektiva opstala je u zapadnom svijetu tokom 19. i 20. stoljeća, a istaknuti fiziolozi smatrali su da tijelo kontroliraju različiti sistemi, uključujući nervni, gastrointestinalni i kardiovaskularni sistem. Međutim, u drugoj polovini 20. stoljeća ovaj način razmišljanja uveliko je zamijenio redukcionizam:Savageau MA. Reconstructionist molecular biology. The New Biologist. 1991 Feb;3(2):190-197. PMID 2065013.Brigandt, I., and Love, A. (2017). Reductionism in biology. Stanford Encyclopedia of Philosophy. Available at: https://plato.stanford.edu/entries/reduction-biology/ Da bi se shvatilo kako tijelo pravilno funkcioniše, bilo je potrebno shvatiti ulogu svake komponente, od tkiva i ćelija do kompletnog skupa intracelularnih molekularnih gradivnih blokova. U 17. stoljeću, trijumfi fizike i napredak mehaničkih satova podstakli su redukcionistički pogled u biologiji, tumačeći organizme kao složene mašine sastavljene od jednostavnijih elemenata.

Jan Smuts (1870–1950), prirodnjak/filozof i dva puta premijer Južne Afrike, skovao je uobičajeno korišteni termin holizam. Predloženo je da cijeli sistemi poput ćelija, tkiva, organizama i populacija imaju jedinstvena (emergentna) svojstva. Bilo je nemoguće pokušati ponovo sastaviti ponašanje cjeline iz svojstava pojedinačnih komponenti, a nove tehnologije su bile neophodne da bi se definisalo i razumjelo ponašanje sistema.

Iako se redukcionizam i holizam često suprotstavljaju jedan drugom, oni se mogu sintetizirati. Mora se razumjeti kako su organizmi izgrađeni (redukcionizam), dok je podjednako važno razumjeti zašto su tako uređeni (sistemi; holizam). Svaki pruža korisne uvide i odgovara na različita pitanja. Međutim, proučavanje bioloških sistema zahtijeva znanje o paradigmama kontrole i dizajna, kao i principe strukturne stabilnosti, otpornosti i robusnosti koji se ne mogu direktno zaključiti iz mehanističkih informacija. Dublji uvid će se dobiti primjenom kompjuterskog modeliranja kako bi se prevazišla složenost bioloških sistema.

Ipak, ovu perspektivu dosljedno su balansirali mislioci koji su naglašavali značaj organizacije i emergentnih osobina u živim sistemima. Ova redukcionistička perspektiva postigla je izuzetan uspjeh, a razumijevanje bioloških procesa proširilo se nevjerovatnom brzinom i intenzitetom. Međutim, uz ove izvanredne napretke, nauka je postepeno shvatila da posjedovanje potpunih informacija o molekularnim komponentama samo po sebi nije dovoljno da se razjasni funkcionisanje života: pojedinačne komponente rijetko ilustruju funkciju složenog sistema. Sada je općeprihvaćeno da su nam potrebni pristupi za rekonstrukciju integrisanih sistema iz njihovih sastavnih dijelova i procesa ako želimo razumjeti biološke fenomene i manipulisati njima na promišljen i fokusiran način.Savageau MA. The challenge of reconstruction. New Biol. 1991 Feb;3(2):101-2. PMID 2065004. Porijeklo sistemske biologije kao oblasti Termin "sistemska biologija" prvi put je uveden na konferenciji 1968. godine. Oni koji su se bavili ovom disciplinom ubrzo su prepoznali – i to razumijevanje je postepeno postalo poznato široj javnosti – da su računarski pristupi neophodni za potpuno artikulisanje koncepata i potencijala sistemske biologije. Konkretno, ove tehnike su morale da posmatraju biološke fenomene kao složene, višeslojne, adaptivne i dinamičke sisteme. Morale su uzeti u obzir transformacije i složene nelinearnosti, omogućavajući time nesmetanu integraciju manjih modela ("modula") u veće, dobro organizovane sklopove modela unutar složenih okruženja. Postalo je jasno da su matematika i računarstvo ključni za ove metode. Ubrzanje razumijevanja sistema došlo je objavljivanjem prvog revolucionarnog teksta koji je sakupljao molekularnu, fiziološku i anatomsku individualnost kod životinja,Williams, R.J. (1956). Biochemical Individuality. The Key for the Genetotrophic Concept. (New York: John Wiley & Sons). koje je opisano kao revolucija.Elsasser, W. (1987). Reflections on a Theory of Organisms. (Quebec, Canada: Orbis).

U početku, šira naučna zajednica nije bila voljna da prihvati integraciju računarskih metoda i teorije upravljanja u istraživanje živih sistema, vjerujući da je "biologija previše složena da bi se primjenjivala matematika". Međutim, kako se približavao novi milenij, ovo gledište je doživjelo značajnu i trajnu transformaciju. Sve više naučnika je počelo raditi na integraciji matematičkih koncepata kako bi razumjeli i riješili biološke probleme. Sada se sistemska biologija široko primjenjuje u nekoliko oblasti, uključujući poljoprivredu i medicinu.

Pristupi sistemskoj biologiji

Pristup odozgo prema dolje