A Systems Theoretic Approach to Systems and Synthetic Biology I: Models and System Characterizations

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 اول یک نمای پانوراما ارائه می‌کند که پتانسیل چنین روش‌های ریاضی را در سیستم‌ها و زیست‌شناسی مصنوعی نشان می‌دهد. پیشرفت های اخیر در سیستم ها و زیست شناسی مصنوعی به وضوح مزایای یک رویکرد دقیق و سیستماتیک را نشان داده است که ریشه در اصول سیستم ها و تئوری کنترل دارد - نه تنها به بینش ها و اکتشافات هیجان انگیز منجر می شود، بلکه آزمون و خطای بسیار طولانی را نیز کاهش می دهد. فرآیند آزمایش آزمایشگاه مرطوب، در نتیجه صرفه جویی قابل توجهی در منابع انسانی و مالی را تسهیل می کند. در جلد اول، برخی از محققان برجسته در زمینه سیستم‌ها و زیست‌شناسی مصنوعی نشان می‌دهند که چگونه سیستم‌ها و مفاهیم و تکنیک‌های نظری کنترل می‌توانند مفید باشند، یا باید تکامل یابند تا مفید باشند، تا بفهمند سیستم‌های بیولوژیکی چگونه کار می‌کنند.

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 I provides a panoramic view that illustrates the potential of such mathematical methods in systems and synthetic biology. Recent advances in systems and synthetic biology have clearly demonstrated the benefits of a rigorous and systematic approach rooted in the principles of systems and control theory - not only does it lead to exciting insights and discoveries but it also reduces the inordinately lengthy trial-and-error process of wet-lab experimentation, thereby facilitating significant savings in human and financial resources. In Volume I, some of the leading researchers in the field of systems and synthetic biology demonstrate how systems and control theoretic concepts and techniques can be useful, or should evolve to be useful, in order to understand how biological systems function.

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.