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Biologia de sistemas Avançado

Publicado em 06/07/2009 

Ficha de Aprendizagem

Síntese

Definição de Biologia de Sistemas e demonstração de como pode ser abordada em pequena escala, utilizando software disponível online. São apresentadas algumas das suas potenciais aplicações, entre as quais, a Medicina personalizada e a Biologia Sintética.

Palavras-chave
  • Biologia de sistemas
  • Modelação matemática
  • Biologia sintética
Objectivos de aprendizagem

Aaprendizagem neste tópico envolve os seguintes objectivos:

  • Identificar as potencialidades e aplicações da Biologia de Sistemas;
  • Compreender o que a Biologia de Sistemas envolve do ponto de vista experimental e computacional.
Pré-requisitos

Os seguintes conhecimentos são essenciais para a compreensão deste tópico:

  • Biologia Molecular
  • Bioquímica
  • Abordagens à escala do genoma e de matemática

Durante as últimas décadas, áreas como a Botânica, a Zoologia e a Ecologia têm estudado o comportamento de seres vivos e populações, numa perspectiva macroscópica, sem levar necessariamente em conta os mecanismos moleculares subjacentes.

Por outro lado, a Biologia Molecular e a Genética têm tentado explicar o funcionamento de componentes celulares individuais, sem contudo se debruçarem, de uma forma global, sobre o modo como os diversos componentes celulares interactuam entre si e com o ambiente.

Assim, e em especial na última década, tornou-se clara a necessidade de investigar, de forma sistemática, o modo como processos celulares (incluindo sinalização, transcrição, tradução, homeostase de metabolitos e outras moléculas, ciclo e divisão celulares) se integram para permitir a vida ao nível da célula, do tecido, do orgão, do organismo e do ecossistema. Com este objectivo surgiu a nova disciplina de Biologia de Sistemas.

Pirâmide que descreve os vários níveis de conhecimento dos sistemas biológicos

Fig. 1 – Pirâmide que descreve os vários níveis de conhecimento dos sistemas biológicos, desde as sequências de nucleótidos (que compõem os genomas), passando pela compreensão da função das macromoléculas biológicas (proteínas, RNAs, etc) até à integração de toda a informação que permite compreender ao nível molecular o funcionamento de um ecossistema.

Através da figura 1, verifica-se que, actualmente, o nível de conhecimento/ compreensão é maior na base da pirâmide e progressivamente menor à medida que se avança para o topo, que corresponde a um máximo de complexidade. Como indicado na figura, a Biologia de Sistemas será fundamental para se conseguir chegar ao topo desta pirâmide.

A Biologia de Sistemas tenta compreender os sistemas vivos encarando-os, na sua essência, como resultado de fluxos de massa, energia e informação, que variam no tempo, no espaço e na dependência do ambiente, alterando os comportamentos e reacções em resposta ao meio envolvente.

Esta nova disciplina tem sido, em muito, impulsionada pelo desenvolvimento de metodologias experimentais chamadas globais, que surgiram após a divulgação da sequência de genomas de muitos seres vivos. Entre estas abordagens à escala do genoma encontram-se:

  • a análise da expressão genética ao nível do RNA (análise do transcritoma) e ao nível das proteínas (análise do proteoma, por exemplo por electroforese bi-dimensional);
  • a análise dos metabolitos numa célula (análise do metaboloma);
  • uma série de outras metodologias, geralmente designadas por “ómicas”.

Com estas abordagens consegue-se, dentro dos limites da tecnologia actual, avaliar os referidos fluxos de massa, energia e informação, que ocorrem ao longo de vias específicas:

  • Fluxo de massa e energia através de vias metabólicas;
  • Fluxo de informação, envolvendo o DNA, através de vias de regulação da expressão genética;
  • Fluxo de informação, não envolvendo o DNA, através de vias de transdução de sinal.

Todos os referidos métodos de análise global têm gerado enormes quantidades de informação, cuja exploração só é possível através da construção de bases de dados e do desenvolvimento e uso de ferramentas computacionais adequadas.

Mas mais do que armazenar e interpretar dados, a Biologia de Sistemas pretende modelar esses dados. A modelação matemática e simulação computacional permitem compreender melhor a natureza e a dinâmica dos processos e fazer previsões fundamentadas do seu desenvolvimento e do efeito de factores externos no comportamento do sistema.

Assim, a nova disciplina da Biologia de Sistemas é multidisciplinar, e recorre a profissionais e investigadores de áreas muito diversas, conforme ilustrado na figura 2. O estabelecimento de pontes entre estas áreas tão diversas e o desenvolvimento da capacidade de comunicação entre os cientistas que nelas desenvolvem a sua investigação, são alguns dos maiores desafios da Biologia de Sistemas.

Disciplinas que contribuem para a área transversal e interdisciplinar da Biologia de SistemasBio

Fig. 2 – Disciplinas que contribuem para a área transversal e interdisciplinar da Biologia de Sistemas.

Autor e Créditos

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Referências Bibliográficas

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