A Systems Theoretic Approach to Systems and Synthetic Biology II: Analysis and Design of Cellular Systems

پیچیدگی سیستم‌های بیولوژیکی دانشمندان بسیاری از رشته‌ها را مجذوب خود کرده است و زمینه بسیار تأثیرگذار زیست‌شناسی سیستم‌ها را به وجود آورده است که در آن طیف گسترده‌ای از تکنیک‌های ریاضی، مانند تجزیه و تحلیل تعادل شار، و پلتفرم های فناوری، مانند توالی یابی نسل بعدی، برای درک، توضیح و پیش بینی عملکرد سیستم های پیچیده بیولوژیکی استفاده می شود. اخیراً، زمینه زیست شناسی مصنوعی، یعنی مهندسی de novo سیستم های بیولوژیکی، ظهور کرده است. دانشمندان رشته‌های مختلف بر این تمرکز دارند که چگونه این فرآیند مهندسی را قابل پیش‌بینی‌تر، قابل اعتمادتر، مقیاس‌پذیرتر، مقرون به صرفه‌تر و آسان‌تر کنند.

سیستم‌ها و تئوری کنترل شاخه‌ای از مهندسی و علوم کاربردی است که به طور جدی با پیچیدگی‌ها و عدم قطعیت‌های سیستم‌های به هم پیوسته با هدف مشخص کردن ویژگی‌های اساسی سیستمی مانند پایداری، استحکام، ظرفیت ارتباطی و سایر عملکردها سروکار دارد. معیارهای. نظریه سیستم ها و کنترل نیز در تلاش است تا مفاهیم و روش هایی را ارائه دهد که طراحی سیستم ها را با تضمین های دقیق در مورد این ویژگی ها تسهیل کند. در طول 100 سال گذشته، این شرکت در زمینه‌های مختلف از جمله هوافضا، مخابرات، ذخیره‌سازی، خودروسازی، سیستم‌های قدرت و غیره مشارکت‌های نظری و تکنولوژیکی بسیار خوبی داشته است. آیا می تواند تأثیر مشابهی در زیست شناسی داشته باشد یا تکامل یابد؟ فصل‌های این کتاب نشان می‌دهد که در واقع، مفاهیم و تکنیک‌های نظری سیستم‌ها و کنترل‌ها می‌توانند تأثیر قابل‌توجهی در سیستم‌ها و زیست‌شناسی مصنوعی داشته باشند.

جلد دوم شامل فصول ارائه شده توسط محققان برجسته در زمینه سیستم‌ها و زیست‌شناسی مصنوعی است که مربوط به مدل‌سازی فرآیندهای فیزیولوژیکی و ساختارهای پایین به بالا سیستم‌های زیستی مقیاس‌پذیر است. مشکلات مدل‌سازی شامل توصیف و سنتز حافظه، درک چگونگی حفظ همئوستاز در مواجهه با شوک‌ها و آشفتگی‌های نسبتاً تدریجی، درک عملکرد و استحکام ساعت‌های بیولوژیکی مانند ساعت‌هایی که در هسته ریتم‌های شبانه‌روزی قرار دارند، و درک اینکه چگونه چرخه‌های سلولی می‌توانند از جمله تنظیم شود. برخی از مشکلات ساخت و ساز از پایین به بالا که در جلد دوم بررسی شده اند به شرح زیر است: چگونه باید بیوماکرومولکول ها، پلت فرم ها، و معماری های مقیاس پذیر انتخاب و سنتز شوند تا بتوان سیستم های بیولوژیکی de novo قابل برنامه ریزی را ساخت؟ انواع مشکلات بهینه سازی محدودی که در این فرآیند با آن مواجه می شوند چیست و چگونه می توان آنها را به طور موثر حل کرد؟

همانطور که دانشمند برجسته کامپیوتر دونالد کنوت بیان کرد، "زیست شناسی به راحتی 500 سال مشکلات هیجان انگیزی دارد که باید روی آنها کار کند". این کتاب ویرایش شده تنها بخش کوچکی از آن‌ها را به نفع (1) سیستم‌ها و نظریه‌پردازان کنترل علاقه‌مند به زیست‌شناسی مولکولی و سلولی و (2) زیست‌شناسان علاقه‌مند به مدل‌سازی، تحلیل و کنترل دقیق سیستم‌های بیولوژیکی ارائه می‌کند.

The complexity of biological systems has intrigued scientists from many disciplines and has given birth to the highly influential field of systems biology wherein a wide array of mathematical techniques, such as flux balance analysis, and technology platforms, such as next generation sequencing, is used to understand, elucidate, and predict the functions of complex biological systems. More recently, the field of synthetic biology, i.e., de novo engineering of biological systems, has emerged. Scientists from various fields are focusing on how to render this engineering process more predictable, reliable, scalable, affordable, and easy.

Systems and control theory is a branch of engineering and applied sciences that rigorously deals with the complexities and uncertainties of interconnected systems with the objective of characterising fundamental systemic properties such as stability, robustness, communication capacity, and other performance metrics. Systems and control theory also strives to offer concepts and methods that facilitate the design of systems with rigorous guarantees on these properties. Over the last 100 years, it has made stellar theoretical and technological contributions in diverse fields such as aerospace, telecommunication, storage, automotive, power systems, and others. Can it have, or evolve to have, a similar impact in biology? The chapters in this book demonstrate that, indeed, systems and control theoretic concepts and techniques can have a significant impact in systems and synthetic biology.

Volume II contains chapters contributed by leading researchers in the field of systems and synthetic biology that concern modeling physiological processes and bottom-up constructions of scalable biological systems. The modeling problems include characterisation and synthesis of memory, understanding how homoeostasis is maintained in the face of shocks and relatively gradual perturbations, understanding the functioning and robustness of biological clocks such as those at the core of circadian rhythms, and understanding how the cell cycles can be regulated, among others. Some of the bottom-up construction problems investigated in Volume II are as follows: How should biomacromolecules, platforms, and scalable architectures be chosen and synthesised in order to build programmable de novo biological systems? What are the types of constrained optimisation problems encountered in this process and how can these be solved efficiently?

As the eminent computer scientist Donald Knuth put it, "biology easily has 500 years of exciting problems to work on". This edited book presents but a small fraction of those for the benefit of (1) systems and control theorists interested in molecular and cellular biology and (2) biologists interested in rigorous modelling, analysis and control of biological systems.