Resumo sobre a Biologia de Sistemas

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Biologia de sistemas diz respeito ao estudo das interações e 
comportamento dos componentes de entidades biológicas, incluindo 
moléculas, células, órgãos e organismos. 
 
A organização e integração de sistemas biológicos há muito tempo 
interessam aos cientistas. A biologia de sistemas como um campo de 
estudo formal e organizado, entretanto, emergiu da revolução genômica, 
que foi catalisada pela Projeto Genoma Humano (HGP; 1990–2003) e a 
disponibilização aos biólogos do Sequências de DNA dos genomas de 
humanos e de muitos outros organismos. 
O estabelecimento do campo também foi fortemente influenciado pelo 
reconhecimento geral de que organismos, células e outras entidades 
biológicas têm um grau inerentemente elevado de complexidade. 
Dois temas dominantes da biologia moderna estão enraizados nessa 
nova perspectiva: primeiro, a visão de que a biologia é 
fundamentalmente uma ciência informacional – sistemas biológicos, 
células e organismos armazenam e transferem informações como seus 
processos mais fundamentais – e segundo, o surgimento de novos 
tecnologias e abordagens para estudar a complexidade biológica. 
 
Os organismos biológicos são muito complexos e as suas muitas partes 
interagem de inúmeras maneiras. Assim, podem ser considerados 
geralmente como sistemas integrados. 
No entanto, embora um sistema complexo integrado como o de um avião 
comercial moderno possa ser compreendido a partir do seu projeto de 
engenharia e planos detalhados, tentar compreender o sistema integrado 
que é um organismo biológico é muito mais difícil, principalmente porque 
o número e a força das interações em o sistema são ótimos e todos 
devem ser inferidos posteriormente a partir do comportamento do 
sistema. Da mesma forma, o modelo para o seu desenho deve ser 
inferido do seu material genético. Esse ponto de vista dos “sistemas 
integrados” e todas as abordagens associadas para a investigação de 
células e organismos biológicos são coletivamente chamados de biologia 
de sistemas. 
 
Complexidade e propriedades emergentes 
Muitos dos aspectos mais críticos do funcionamento de uma célula 
resultam do comportamento coletivo de muitas partes moleculares, todas 
agindo juntas. Essas propriedades coletivas – muitas vezes chamadas 
de “propriedades emergentes” – são atributos críticos dos sistemas 
biológicos, uma vez que a compreensão das partes individuais por si só é 
insuficiente para compreender ou prever o comportamento do sistema. 
Assim, as propriedades emergentes vêm necessariamente das 
interações das partes do sistema maior. Por exemplo, uma memória 
armazenada no cérebro humano é uma propriedade emergente porque 
não pode ser entendida como uma propriedade de um único neurônio ou 
mesmo de muitos neurônios considerados um de cada vez. Pelo 
contrário, é uma propriedade coletiva de um grande número de neurónios 
atuando em conjunto. 
 
Um dos aspectos mais importantes das partes moleculares individuais e 
das coisas complexas que elas constituem é a informação que as partes 
contêm e transmitem. Na biologia, a informação nas estruturas 
moleculares – as propriedades químicas das moléculas que lhes 
permitem reconhecer e ligar-se umas às outras – é central para o 
funcionamento de todos os processos. Essas informações fornecem uma 
estrutura para a compreensão dos sistemas biológicos, cujo significado 
foi captado com perspicácia pelo físico-químico teórico americano Linus 
Pauling e pelo biólogo francês Emil Zuckerkandl, que afirmaram em um 
artigo conjunto: “A vida é uma relação entre moléculas e não uma 
propriedade de qualquer uma molécula.” Em outras palavras, a vida é 
definida em termos de interações, relacionamentos e propriedades 
coletivas de muitos sistemas moleculares e suas partes. 
 
O argumento central relativo à informação em biologia pode ser visto 
considerando a hereditariedade da informação, ou a transmissão de 
informações de uma geração para a seguinte. Para uma determinada 
espécie, a informação do seu genoma deve persistir durante a 
reprodução para garantir a sobrevivência da espécie. O ADN é 
transmitido fielmente, permitindo que a informação genética de uma 
espécie perdure e, ao longo do tempo, seja influenciada pelas forças 
evolutivas. A informação que existe hoje nos seres vivos acumulou-se e 
foi moldada ao longo de mais de 3,4 mil milhões de anos. Como 
resultado, focar na informação molecular em sistemas biológicos fornece 
um ponto de vista útil para a compreensão de como funcionam os 
sistemas vivos. 
 
Que as propriedades emergentes derivadas da função coletiva de muitas 
partes são as propriedades-chave dos sistemas biológicos é conhecido 
pelo menos desde a primeira metade do século XX. Eles foram 
considerados extensivamente em biologia celular, fisiologia, biologia do 
desenvolvimento e ecologia] 
Na ecologia, por exemplo, o debate sobre a importância da complexidade 
nos sistemas ecológicos e a relação entre complexidade e estabilidade 
ecológica começou na década de 1950. Desde então, os cientistas 
perceberam que a complexidade é uma propriedade geral da biologia, e 
tecnologias e métodos para compreender as partes e seus 
comportamentos interativos em nível molecular foram desenvolvidos. A 
mudança quantitativa na biologia, baseada em dados biológicos e 
métodos experimentais, precipitou profundas mudanças qualitativas na 
forma como os sistemas biológicos são vistos, analisados e 
compreendidos. As repercussões dessa mudança foram imensas, 
resultando em mudanças na forma como a investigação é realizada e na 
forma como a biologia é compreendida. 
 
Uma comparação coma engenharia de sistemas pode fornecer 
informações úteis sobre a natureza da biologia de sistemas. Quando os 
engenheiros projetam sistemas, eles exploram componentes conhecidos 
que podem ser reunidos de modo a criar um sistema que se comporte de 
uma maneira prescrita, de acordo com as especificações do projeto. Por 
outro lado, quando os biólogos olham para um sistema, as suas tarefas 
iniciais são identificar os componentes e compreender as propriedades 
dos componentes individuais. Eles então tentam identificar como as 
interações entre os componentes criam, em última análise, os 
comportamentos biológicos observáveis do sistema. O processo está 
mais alinhado com a noção de “engenharia reversa de sistemas” do que 
com a engenharia de projeto de sistemas. 
 
O Projeto Genoma Humano contribuiu amplamente para essa revolução 
na biologia de pelo menos três maneiras diferentes: (1) adquirindo a “lista 
de partes” genética de todos os genes do genoma humano ; (2) 
catalisando o desenvolvimento de plataformas tecnológicas de alto 
rendimento para gerar grandes conjuntos de dados para DNA, RNA e 
proteínas; e (3) inspirando e contribuindo para o desenvolvimento de 
ferramentas computacionais e matemáticas necessárias para analisar e 
compreender grandes conjuntos de dados. Pode-se argumentar que o 
projeto foi o catalisador final que provocou a mudança para o ponto de 
vista sistêmico na biologia. 
 
Evolução em biologia de sistemas 
O geneticista e evolucionista ucraniano-americano Theodosius 
Dobzhansky observou no século 20 que “nada faz sentido na biologia, 
exceto à luz da evolução”. Compreender a evolução é essencial para a 
biologia de sistemas, mas compreender de onde veio a informação do 
sistema e como se tornou complexa também fornece um foco para o 
pensamento evolucionista. Numa série de transições evolutivas, os 
sistemas biológicos adquiriram mecanismos notáveis para armazenar, 
manusear e distribuir informação no mundo vivo. As partes fundamentais 
para armazenamento e transmissão são RNA e DNA. Uma visão 
surpreendente que emergiu do estudo dessas partes é que a evolução 
dos sistemas fisiológicos e de desenvolvimento envolveu componentes 
básicos de redes reguladoras de genes, incluindo fatores de transcrição 
(uma classe de proteínasque regulam a expressão genética) e 
cisligantes de fatores de transcrição de elementos reguladores do DNA. 
As redes reguladoras de genes estão, por sua vez, acopladas a outras 
redes que têm efeitos profundos sobre o funcionamento dos sistemas e, 
assim, determinam as possibilidades evolutivas. 
 
Redes e informações 
Engenheiros e matemáticos forneceram informações valiosas sobre a 
natureza da informação , particularmente relacionada às comunicações, 
e os biólogos adaptaram alguns desses insights para o estudo de 
sistemas biológicos. Uma área significativa de pesquisa em biologia 
centra-se na questão de saber se os processos biológicos de ordem 
superior podem ser representados a partir de uma perspectiva de 
informação. As ferramentas conceituais para observar os fenômenos 
biológicos baseiam-se em ideias matemáticas sobre informação e 
computação, mas é necessário um desenvolvimento adicional 
significativo antes que uma base teórica satisfatória seja alcançada. Por 
exemplo, um aspecto fundamental da descrição e medição da 
informação biológica é o contexto em que a informação opera, que tem 
sido difícil de representar de uma forma clara e útil. Um exemplo do tipo 
de desafio que os pesquisadores enfrentam é o processo de expressão 
gênica, que envolve a produção de uma molécula proteica específica a 
partir da informação genética. Vários fatores influenciam a expressão de 
qualquer gene – desde o tipo de célula envolvida até os sinais externos 
recebidos e o estado metabólico da célula até estados preexistentes de 
expressão gênica. Os esforços para compreender esses fatores 
constituem uma importante área de pesquisa na biologia moderna. 
 
Embora algumas redes pequenas, como certas redes metabólicas em 
bactérias ou leveduras, sejam relativamente bem caracterizadas, redes 
mais complexas, como redes de desenvolvimento, permanecem apenas 
parcialmente compreendidas. Conceitos matemáticos relevantes para o 
estudo de ambos os tipos de redes foram desenvolvidos e 
implementados. Ainda assim, poucos sistemas biológicos foram 
suficientemente caracterizados para permitir aos investigadores modelá-
los como redes. Os exemplos incluem os sistemas de utilização de 
lactose e galactose em certas bactérias, como Escherichia coli e 
Streptococcus. 
No entanto, as interações mais amplas dessas redes são 
comparativamente menos bem compreendidas. O desenvolvimento 
embrionário inicial do ouriço-do-mar é outro sistema que foi efetivamente 
modelado. Os modelos oferecem uma visão única sobre o 
desenvolvimento biológico e a fisiologia, e os cientistas imaginaram um 
futuro em que os modelos estarão disponíveis para a maioria dos 
sistemas biológicos. Na verdade, os modelos quantitativos poderiam, em 
última análise, incorporar hipóteses sobre a estrutura e função de 
qualquer sistema biológico em questão. 
 
As ideias sobre sistemas biológicos têm o potencial de transformar a 
agricultura, a pecuária, a nutrição, a energia e outras indústrias e campos 
de pesquisa. 
No início do século XXI, a prática da medicina já tinha começado a 
passar do tratamento reativo dos sintomas dos pacientes para um 
cuidado proativo e personalizado devido à melhor compreensão das 
funções dos sistemas complexos que são as células e órgãos humanos.