زیست‌شناسی سامانه‌ای محاسباتی

Computational Systems Biology

شماره درس: ۴۰۵۵۱ تعداد واحد: ۳
مقطع: کارشناسی ارشد نوع درس: نظری
پیش‌نیاز: – هم‌نیاز: –

اهداف درس

هدف از این درس آشنا ساختن دانشجویان با عمکرد سیستمهای زیستی بر اساس مدلسازی آن با سیستمهای دینامیکی در سطح مولکولی و سلولی است. بعنوان نمونه های اصلی این گونه سیستمها، تمرکز درس بر روی مدلهای ریاضی بیان ژن و سلولهای عصبی خواهد بود. این درس دانشجویان را قادر میسازد که در تحلیل رفتارهای زیستی در سطح سلولی-مولکولی، از مدلهای مناسب ریاضی استفاده نموده و بجای توصیف کیفی رفتارهای پایه، انها را بصورت کمی مدلسازی نمایند. آشنایی با ساختارهای شبکه ای در تحلیل رفتار سیستمهای زیستی نیز در این درس در این راستا صورت میپذیرد.

ریز مواد

  1. آشنایی و کاربردها (۱ جلسه)
  2. مروری بر بیولوژی مولکولی و سلولی (۲ جلسه)
  3. مقدمه ای بر تکنیک‌های آزمایشگاهی برای دست‌یابی به داده‌های زیستی، شامل اندرکنش‌های پروتئین-پروتئین، آنالیز توالی ژنوم، آنالیز بیان ژن‌ها و پروتئین‌ها، آنالیز متابولوم و شارهای متابولیک (۲ جلسه)
  4. مقدمه ای بر علوم سامانه ای (Systems Science) (دو جلسه)
    • مقایسه‌ی دو دیدگاه جزء نظر و کل نگر
    • اصول حاکم بر سامانه‌های زیستی
  5. مدلسازی ریاضی سیستمهای زیستی (۸ جلسه)
    • مدل بیان ژن: معادلات دیفرانسیل خطی برای واکنشهای شیمیایی
    • مدلهای زمانی و رگولاسیون خودکار
    • مدل سلولهای عصبی: مدل انتگرال و آتش، مدل Hudgkin-Huxley
  6. مدلهای غیر خطی و آنالیز صفحه فاز (۲ جلسه)
  7. پایداری، Bistability، Bifurcation: کاربرد در مدل های تمایز (۲ جلسه)
  8. سوییچ های زیستی در مدلهای ژنی و عصبی (۱ جلسه)
  9. اسیلاتورهای زیستی (۱ جلسه)
  10. تحلیل ساختاری شبکه‌های زیستی (۵ جلسه)
    • محدودیت مدل‌های مبتنی بر نظریه گراف
    • تحلیل مبتنی بر قید شار متابولیک و شار اطلاعات در شبکه‌های زیستی
  11. تحلیل شبکه‌های متابولیک به منظور بهینه‌کردن تولید در فرایندهای بیوشیمیایی (۲ جلسه)

ارزیابی

  • آزمون میان‌ترم: ۲۵ درصد
  • آزمون‌‌ پایانی : ۳۵ درصد
  • کوییز و تمرین : ۲۰ تا ۲۵ درصد
  • پروژه : ۱۵ تا ۲۰ درصد

مراجع

  1. Alon, U. An Introduction to Systems Biology: Design Principles of Biological Circuits. Chapman and Hall / CRC, 2006 (New Edition to be available in March 2019).
  2. Gerstner et. al., Neuronal Dynamics, Cambridge University Press, 2014.
  3. Strogatz, Steven H. Nonlinear Dynamics and Chaos: With Applications to Physics, Biology, Chemistry, and Engineering. Westview Press, 2014.
  4. Izhikevich, Dynamical Systems in Neuroscience, MIT Press, 2007.
  5. Alberts, B., et al. Essential Cell Biology. 3rd ed. Garland Science, 2009.