Fundamentals of Systems Biology

From Synthetic Circuits to Whole-cell Models
Author: Markus W. Covert
Publisher: CRC Press
ISBN: 1498728472
Category: Technology & Engineering
Page: 367
View: 7227
For decades biology has focused on decoding cellular processes one gene at a time, but many of the most pressing biological questions, as well as diseases such as cancer and heart disease, are related to complex systems involving the interaction of hundreds, or even thousands, of gene products and other factors. How do we begin to understand this complexity? Fundamentals of Systems Biology: From Synthetic Circuits to Whole-cell Models introduces students to methods they can use to tackle complex systems head-on, carefully walking them through studies that comprise the foundation and frontier of systems biology. The first section of the book focuses on bringing students quickly up to speed with a variety of modeling methods in the context of a synthetic biological circuit. This innovative approach builds intuition about the strengths and weaknesses of each method and becomes critical in the book’s second half, where much more complicated network models are addressed—including transcriptional, signaling, metabolic, and even integrated multi-network models. The approach makes the work much more accessible to novices (undergraduates, medical students, and biologists new to mathematical modeling) while still having much to offer experienced modelers--whether their interests are microbes, organs, whole organisms, diseases, synthetic biology, or just about any field that investigates living systems.

A First Course in Systems Biology

Author: Eberhard Voit
Publisher: Garland Science
ISBN: 1351332945
Category: Computers
Page: 480
View: 4429
A First Course in Systems Biology is an introduction for advanced undergraduate and graduate students to the growing field of systems biology. Its main focus is the development of computational models and their applications to diverse biological systems. The book begins with the fundamentals of modeling, then reviews features of the molecular inventories that bring biological systems to life and discusses case studies that represent some of the frontiers in systems biology and synthetic biology. In this way, it provides the reader with a comprehensive background and access to methods for executing standard systems biology tasks, understanding the modern literature, and launching into specialized courses or projects that address biological questions using theoretical and computational means. New topics in this edition include: default modules for model design, limit cycles and chaos, parameter estimation in Excel, model representations of gene regulation through transcription factors, derivation of the Michaelis-Menten rate law from the original conceptual model, different types of inhibition, hysteresis, a model of differentiation, system adaptation to persistent signals, nonlinear nullclines, PBPK models, and elementary modes. The format is a combination of instructional text and references to primary literature, complemented by sets of small-scale exercises that enable hands-on experience, and large-scale, often open-ended questions for further reflection.

Theoretical and Applied Aspects of Systems Biology

Author: Fabricio Alves Barbosa da Silva,Nicolas Carels,Floriano Paes Silva Junior
Publisher: Springer
ISBN: 3319749749
Category: Computers
Page: 259
View: 9481
This book presents the theoretical foundations of Systems Biology, as well as its application in studies on human hosts, pathogens and associated diseases. This book presents several chapters written by renowned experts in the field. Some topics discussed in depth in this book include: computational modeling of multiresistant bacteria, systems biology of cancer, systems immunology, networks in systems biology.

Model-Based Hypothesis Testing in Biomedicine

How Systems Biology Can Drive the Growth of Scientific Knowledge
Author: Rikard Johansson
Publisher: Linköping University Electronic Press
ISBN: 9176854574
Category: Electronic books
Page: 102
View: 1002
The utilization of mathematical tools within biology and medicine has traditionally been less widespread compared to other hard sciences, such as physics and chemistry. However, an increased need for tools such as data processing, bioinformatics, statistics, and mathematical modeling, have emerged due to advancements during the last decades. These advancements are partly due to the development of high-throughput experimental procedures and techniques, which produce ever increasing amounts of data. For all aspects of biology and medicine, these data reveal a high level of inter-connectivity between components, which operate on many levels of control, and with multiple feedbacks both between and within each level of control. However, the availability of these large-scale data is not synonymous to a detailed mechanistic understanding of the underlying system. Rather, a mechanistic understanding is gained first when we construct a hypothesis, and test its predictions experimentally. Identifying interesting predictions that are quantitative in nature, generally requires mathematical modeling. This, in turn, requires that the studied system can be formulated into a mathematical model, such as a series of ordinary differential equations, where different hypotheses can be expressed as precise mathematical expressions that influence the output of the model. Within specific sub-domains of biology, the utilization of mathematical models have had a long tradition, such as the modeling done on electrophysiology by Hodgkin and Huxley in the 1950s. However, it is only in recent years, with the arrival of the field known as systems biology that mathematical modeling has become more commonplace. The somewhat slow adaptation of mathematical modeling in biology is partly due to historical differences in training and terminology, as well as in a lack of awareness of showcases illustrating how modeling can make a difference, or even be required, for a correct analysis of the experimental data. In this work, I provide such showcases by demonstrating the universality and applicability of mathematical modeling and hypothesis testing in three disparate biological systems. In Paper II, we demonstrate how mathematical modeling is necessary for the correct interpretation and analysis of dominant negative inhibition data in insulin signaling in primary human adipocytes. In Paper III, we use modeling to determine transport rates across the nuclear membrane in yeast cells, and we show how this technique is superior to traditional curve-fitting methods. We also demonstrate the issue of population heterogeneity and the need to account for individual differences between cells and the population at large. In Paper IV, we use mathematical modeling to reject three hypotheses concerning the phenomenon of facilitation in pyramidal nerve cells in rats and mice. We also show how one surviving hypothesis can explain all data and adequately describe independent validation data. Finally, in Paper I, we develop a method for model selection and discrimination using parametric bootstrapping and the combination of several different empirical distributions of traditional statistical tests. We show how the empirical log-likelihood ratio test is the best combination of two tests and how this can be used, not only for model selection, but also for model discrimination. In conclusion, mathematical modeling is a valuable tool for analyzing data and testing biological hypotheses, regardless of the underlying biological system. Further development of modeling methods and applications are therefore important since these will in all likelihood play a crucial role in all future aspects of biology and medicine, especially in dealing with the burden of increasing amounts of data that is made available with new experimental techniques. Användandet av matematiska verktyg har inom biologi och medicin traditionellt sett varit mindre utbredd jämfört med andra ämnen inom naturvetenskapen, såsom fysik och kemi. Ett ökat behov av verktyg som databehandling, bioinformatik, statistik och matematisk modellering har trätt fram tack vare framsteg under de senaste decennierna. Dessa framsteg är delvis ett resultat av utvecklingen av storskaliga datainsamlingstekniker. Inom alla områden av biologi och medicin så har dessa data avslöjat en hög nivå av interkonnektivitet mellan komponenter, verksamma på många kontrollnivåer och med flera återkopplingar både mellan och inom varje nivå av kontroll. Tillgång till storskaliga data är emellertid inte synonymt med en detaljerad mekanistisk förståelse för det underliggande systemet. Snarare uppnås en mekanisk förståelse först när vi bygger en hypotes vars prediktioner vi kan testa experimentellt. Att identifiera intressanta prediktioner som är av kvantitativ natur, kräver generellt sett matematisk modellering. Detta kräver i sin tur att det studerade systemet kan formuleras till en matematisk modell, såsom en serie ordinära differentialekvationer, där olika hypoteser kan uttryckas som precisa matematiska uttryck som påverkar modellens output. Inom vissa delområden av biologin har utnyttjandet av matematiska modeller haft en lång tradition, såsom den modellering gjord inom elektrofysiologi av Hodgkin och Huxley på 1950?talet. Det är emellertid just på senare år, med ankomsten av fältet systembiologi, som matematisk modellering har blivit ett vanligt inslag. Den något långsamma adapteringen av matematisk modellering inom biologi är bl.a. grundad i historiska skillnader i träning och terminologi, samt brist på medvetenhet om exempel som illustrerar hur modellering kan göra skillnad och faktiskt ofta är ett krav för en korrekt analys av experimentella data. I detta arbete tillhandahåller jag sådana exempel och demonstrerar den matematiska modelleringens och hypotestestningens allmängiltighet och tillämpbarhet i tre olika biologiska system. I Arbete II visar vi hur matematisk modellering är nödvändig för en korrekt tolkning och analys av dominant-negativ-inhiberingsdata vid insulinsignalering i primära humana adipocyter. I Arbete III använder vi modellering för att bestämma transporthastigheter över cellkärnmembranet i jästceller, och vi visar hur denna teknik är överlägsen traditionella kurvpassningsmetoder. Vi demonstrerar också frågan om populationsheterogenitet och behovet av att ta hänsyn till individuella skillnader mellan celler och befolkningen som helhet. I Arbete IV använder vi matematisk modellering för att förkasta tre hypoteser om hur fenomenet facilitering uppstår i pyramidala nervceller hos råttor och möss. Vi visar också hur en överlevande hypotes kan beskriva all data, inklusive oberoende valideringsdata. Slutligen utvecklar vi i Arbete I en metod för modellselektion och modelldiskriminering med hjälp av parametrisk ”bootstrapping” samt kombinationen av olika empiriska fördelningar av traditionella statistiska tester. Vi visar hur det empiriska ”log-likelihood-ratio-testet” är den bästa kombinationen av två tester och hur testet är applicerbart, inte bara för modellselektion, utan också för modelldiskriminering. Sammanfattningsvis är matematisk modellering ett värdefullt verktyg för att analysera data och testa biologiska hypoteser, oavsett underliggande biologiskt system. Vidare utveckling av modelleringsmetoder och tillämpningar är därför viktigt eftersom dessa sannolikt kommer att spela en avgörande roll i framtiden för biologi och medicin, särskilt när det gäller att hantera belastningen från ökande datamängder som blir tillgänglig med nya experimentella tekniker.

Kompendium Systembiologie

Mathematische Modellierung und Modellanalyse
Author: Andreas Kremling
Publisher: Springer-Verlag
ISBN: 3834886076
Category: Science
Page: 300
View: 2322
Das Buch beschreibt die Grundlagen der mathematischen Modellierung zellulärer Systeme. Nach einer Klassifikation von Modellen wird schwerpunktmäßig auf deterministische Modelle eingegangen und für alle relevanten zellulären Prozesse entsprechende Gleichungen angegeben. Anschließend werden eine Reihe von Verfahren zur Modellanalyse vorgestellt. Etwas kürzer werden Verfahren zum Reverse Engineering und zur Analyse von Netzwerkgraphen abgehandelt. Am Ende werden noch Verfahren der Parameteridentifikation besprochen.

The Design of Everyday Things

Psychologie und Design der alltäglichen Dinge
Author: Norman Don
Publisher: Vahlen
ISBN: 3800648105
Category: Business & Economics
Page: 320
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Apple, Audi, Braun oder Samsung machen es vor: Gutes Design ist heute eine kritische Voraussetzung für erfolgreiche Produkte. Dieser Klassiker beschreibt die fundamentalen Prinzipien, um Dinge des täglichen Gebrauchs umzuwandeln in unterhaltsame und zufriedenstellende Produkte. Don Norman fordert ein Zusammenspiel von Mensch und Technologie mit dem Ziel, dass Designer und Produktentwickler die Bedürfnisse, Fähigkeiten und Handlungsweisen der Nutzer in den Vordergrund stellen und Designs an diesen angepasst werden. The Design of Everyday Things ist eine informative und spannende Einführung für Designer, Marketer, Produktentwickler und für alle an gutem Design interessierten Menschen. Zum Autor Don Norman ist emeritierter Professor für Kognitionswissenschaften. Er lehrte an der University of California in San Diego und der Northwest University in Illinois. Mitte der Neunzigerjahre leitete Don Norman die Advanced Technology Group bei Apple. Dort prägte er den Begriff der User Experience, um über die reine Benutzbarkeit hinaus eine ganzheitliche Erfahrung der Anwender im Umgang mit Technik in den Vordergrund zu stellen. Norman ist Mitbegründer der Beratungsfirma Nielsen Norman Group und hat unter anderem Autohersteller von BMW bis Toyota beraten. „Keiner kommt an Don Norman vorbei, wenn es um Fragen zu einem Design geht, das sich am Menschen orientiert.“ Brand Eins 7/2013 „Design ist einer der wichtigsten Wettbewerbsvorteile. Dieses Buch macht Spaß zu lesen und ist von größter Bedeutung.” Tom Peters, Co-Autor von „Auf der Suche nach Spitzenleistungen“

Synthetic Biology

Tools and Applications
Author: Huimin Zhao
Publisher: Academic Press
ISBN: 0123978203
Category: Science
Page: 352
View: 1099
Synthetic Biology provides a framework to examine key enabling components in the emerging area of synthetic biology. Chapters contributed by leaders in the field address tools and methodologies developed for engineering biological systems at many levels, including molecular, pathway, network, whole cell, and multi-cell levels. The book highlights exciting practical applications of synthetic biology such as microbial production of biofuels and drugs, artificial cells, synthetic viruses, and artificial photosynthesis. The roles of computers and computational design are discussed, as well as future prospects in the field, including cell-free synthetic biology and engineering synthetic ecosystems. Synthetic biology is the design and construction of new biological entities, such as enzymes, genetic circuits, and cells, or the redesign of existing biological systems. It builds on the advances in molecular, cell, and systems biology and seeks to transform biology in the same way that synthesis transformed chemistry and integrated circuit design transformed computing. The element that distinguishes synthetic biology from traditional molecular and cellular biology is the focus on the design and construction of core components that can be modeled, understood, and tuned to meet specific performance criteria and the assembly of these smaller parts and devices into larger integrated systems that solve specific biotechnology problems. Includes contributions from leaders in the field presents examples of ambitious synthetic biology efforts including creation of artificial cells from scratch, cell-free synthesis of chemicals, fuels, and proteins, engineering of artificial photosynthesis for biofuels production, and creation of unnatural living organisms Describes the latest state-of-the-art tools developed for low-cost synthesis of ever-increasing sizes of DNA and efficient modification of proteins, pathways, and genomes Highlights key technologies for analyzing biological systems at the genomic, proteomic, and metabolomic levels which are especially valuable in pathway, whole cell, and multi-cell applications Details mathematical modeling tools and computational tools which can dramatically increase the speed of the design process as well as reduce the cost of development.

Biochemie und Molekularbiologie

Eine Einführung in 40 Lerneinheiten
Author: Philipp Christen,Rolf Jaussi,Roger Benoit
Publisher: Springer-Verlag
ISBN: 3662464306
Category: Science
Page: 562
View: 6800
Diese Einführung in die Biochemie und Molekularbiologie ist für alle geschrieben, die sich für die molekularen Aspekte der Lebensvorgänge interessieren, insbesondere für Studierende der Medizin und der Naturwissenschaften, denen die Biochemie als Grundlagenwissenschaft dient. Die 40 kurzen Kapitel können weitgehend unabhängig voneinander benutzt werden. Mit seinem hohen Bildanteil setzt das Buch auf visuelles Lernen. Zu jedem Kapitel gibt es eine ausführliche, kommentierte Linksammlung, die u.a. Bildmaterial, Animationen, Datenbanken sowie Merksätze und Kontrollfragen enthält. Die Inhalte der Website können über QR-Codes im Buch, aber auch über die Webadresse abgerufen werden. Das Lehrbuch basiert auf dem 2005 von den Autoren veröffentlichten Titel Biochemie. Der Text ist korrigiert, ergänzt und gestrafft worden.

Universality and Emergent Computation in Cellular Neural Networks

Author: Radu Dogaru
Publisher: World Scientific
ISBN: 9812564500
Category: Computers
Page: 247
View: 487
Cellular computing is a natural information processing paradigm, capable of modeling various biological, physical and social phenomena, as well as other kinds of complex adaptive systems. The programmingof a cellular computer is in many respects similar to the geneticevolution in biology, the result being a proper cell design and atask-specific gene.

Theorie der neuronalen Netze

Eine systematische Einführung
Author: Raul Rojas
Publisher: Springer-Verlag
ISBN: 3642612318
Category: Computers
Page: 446
View: 5625
Neuronale Netze sind ein Berechenbarkeitsparadigma, das in der Informatik zunehmende Beachtung findet. In diesem Buch werden theoretische Ansätze und Modelle, die in der Literatur verstreut sind, zu einer modellübergreifenden Theorie der künstlichen neuronalen Netze zusammengefügt. Mit ständigem Blick auf die Biologie wird - ausgehend von einfachsten Netzen - gezeigt, wie sich die Eigenschaften der Modelle verändern, wenn allgemeinere Berechnungselemente und Netztopologien eingeführt werden. Jedes Kapitel enthält Beispiele und ist ausführlich illustriert und durch bibliographische Anmerkungen abgerundet. Das Buch richtet sich an Leser, die sich einen Überblick verschaffen oder vorhandene Kenntnisse vertiefen wollen. Es ist als Grundlage für Neuroinformatikvorlesungen an deutschsprachigen Universitäten geeignet.

Der Aufbau des Organismus

Einführung in die Biologie unter besonderer Berücksichtigung der Erfahrungen am kranken Menschen
Author: Thomas Hoffmann,Frank W. Stahnisch,Kurt Goldstein
Publisher: Verlag Wilhelm Fink
ISBN: 3846752819
Category: Philosophy
Page: 462
View: 470
Der Aufbau des Organismus ist das Hauptwerk des deutsch-amerikanischen Neurologen und Psychiaters Kurt Goldstein (1878-1965). Erstmals seit 1934 erscheint es nun in einer neuen deutschsprachigen Ausgabe. Im Spannungsfeld von Neurologie, Psychologie und Philosophie entwarf Kurt Goldstein im niederländischen Exil eine ganzheitliche Theorie des Aufbaus und der Funktion des menschlichen Organismus, die eine völlig neue Sicht auf die menschliche Psyche und die Funktionsweise des Gehirns ermöglichte. Sein Werk zählt nicht nur zu den Klassikern der modernen Neuropsychologie, sondern prägte auch so unterschiedliche Strömungen wie die Phänomenologie in Frankreich (Merleau- Ponty), die humanistische Psychologie in den USA (Maslow, Rogers) und die Kulturhistorische Schule der russischen Psychologie (Wygotski, Luria, Leontjew). In der Nachkriegszeit in Deutschland weitgehend verdrängt und vergessen, wartete dieses Buch lange auf seine Wiederentdeckung. Angesichts der aktuellen Diskussion des Leib-Seele-Problems in den Neurowissenschaften und der Philosophie ist Goldsteins Werk heute wieder hochaktuell.

BMAS ...

Proceedings of the ... IEEE International Workshop on Behavioral Modeling and Simulation
Author: N.A
Publisher: N.A
ISBN: 9780780376342
Category: Computer simulation
Page: 167
View: 4743

Zoonomie oder Gesetze des organischen Lebens

Author: N.A
Publisher: N.A
Page: 592
View: 3532

Immobilisierte Biokatalysatoren

Eine Einführung
Author: Winfried Hartmeier
Publisher: Springer-Verlag
ISBN: 3662078627
Category: Science
Page: 206
View: 1188
Obwohl oder gerade weil eine kaum mehr überschaubare Zahl von Publi kationen auf dem Gebiet der Immobilisierung von Biokatalysatoren existiert, ist es für den Anfänger, der einen Einstieg sucht, auf diesem Gebiet oft schwer, geeignete Informationen aus der Flut von Originalarbeiten herauszufinden. Einige gute, fast immer aber eng lischsprachige Monographien sind entweder außerordentlich umfang reich und teuer, oder sie behandeln nur ausgewählte Teilaspekte der Immobilisierung. Dem will die vorliegende Einführung abhelfen. Sie soll dem Leser zu einem raschen Überblick verhelfen und ihm den inzwischen abgesicherten Kenntnisstand nach Art eines kurzen Lehr buches vermitteln. Das Buch ist aus Erfahrungen in Vorlesungen, Praktika und Kursen entstanden. Es soll sich maßgeblich an Lernende wenden, auch wenn "Immobilisierte Biokatalysatoren" bisher noch nicht zum Stan dardrepertoire der Lehre an deutschen Universitäten und Fachhoch schulen gehören. Es ist jedoch die Oberzeugung des Autors, daß sich dies in den kommenden Jahren mit der wachsenden Bedeutung dieses Gebietes und mit der allgemeinen Etablierung der Biotechnologie an den Hochschulen ändern wird. Ober den Kreis der Studenten und Dozen ten hinaus wendet sich die Einführung aber auch an die vielen Natur wissenschaftler und Techniker der industriellen Praxis, die sich mit immobilisierten Biokatalysatoren befassen und sich dazu ein ent sprechendes Grundwissen aneignen wollen.

Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America

Author: National Academy of Sciences (U.S.)
Publisher: N.A
Category: Science
Page: N.A
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Molekularbiologie der Zelle

Author: Bruce Alberts,Alexander Johnson,Julian Lewis,Martin Raff,Keith Roberts,Peter Walter
Publisher: John Wiley & Sons
ISBN: 3527323848
Category: Cells
Page: 1928
View: 3777
Seit einem Vierteljahrhundert ist 'Molekularbiologie der Zelle' das führende Lehrbuch im Bereich Zellbiologie. Diese erfolgreiche Tradition wird nun mit der fünften Auflage fortgesetzt, die vollständig überarbeitet und aktualisiert wurde. Mit zahlreichen inhaltlichen Neuerungen stellt sie unser aktuelles, sich rasch weiterentwickelndes Wissens zum zentralen Gegenstand der Biologie dar - der Zelle.

Cellular Computing

Author: Martyn Amos
Publisher: Oxford University Press
ISBN: 9780198035374
Category: Science
Page: 240
View: 6768
The completion of the first draft of the human genome has led to an explosion of interest in genetics and molecular biology. The view of the genome as a network of interacting computational components is well-established, but researchers are now trying to reverse the analogy, by using living organisms to construct logic circuits. The potential applications for such technologies is huge, ranging from bio-sensors, through industrial applications to drug delivery and diagnostics. This book would be the first to deal with the implementation of this technology, describing several working experimental demonstrations using cells as components of logic circuits, building toward computers incorporating biological components in their functioning.

Die Zukunft der Intelligenz

wie das Gehirn funktioniert, und was Computer davon lernen können
Author: Jeff Hawkins
Publisher: N.A
ISBN: 9783499621673
Page: 315
View: 7477