Εισαγωγή στη Συστημική και Συνθετική Βιοτεχνολογία

Abstract

Το βιβλίο περιλαμβάνει βασικά στοιχεία Βιολογίας και Γενετικής, τα οποία παρουσιάζονται με τρόπο που να διευκολύνει τους μηχανικούς ή άλλους κλάδους που δεν έχουν τη βασική βιολογική υποδομή να κατανοήσουν τις βάσεις και να εισαχθούν σε έννοιες όπως κυτταρικό εργοστάσιο, τεχνολογίες –ομικς (γενωμική, πρωτεομική, μεταβολομική, λιπιδομική), σύγχρονες τεχνικές υψηλής διακριτικής ικανότητας κλπ. Παρουσιάζονται οι αρχές της Συστημικής Βιολογίας και αναδεικνύονται τα στοιχεία που την διαφοροποιούν από την κλασική βιολογία, όπως η ποσοτικοποιημένη μελέτη των βιοδιεργασιών ως ολοκληρωμένων συστημάτων και η ανάγκη υποστήριξής της από τη βιοπληροφορική και τις τεχνολογίες -oμικς. Η συστημική προσέγγιση των οργανισμών, των κυττάρων αλλά και ολόκληρου του βιολογικού οικοδομήματος (μεταβολικά δίκτυα, πρωτεϊνοσύνθεση, μεταγραφική διαδικασία κλπ.) αναδεικνύει τις σχέσεις που διέπουν τα επιμέρους στοιχεία και την ανάγκη της μαθηματικής τους διατύπωσης που δίνει τη δυνατότητα πρόβλεψης λειτουργιών και σχεδιασμού νέων. Επίσης, παρουσιάζονται οι τεχνικές και οι μέθοδοι που χρησιμοποιούνται στη Συστημική μελέτη των βιολογικών συστημάτων, καθώς και τα βιοπληροφορικά εργαλεία και οι μέθοδοι μοντελοποίησης της κυτταρικής λειτουργίας με συγκεκριμένα παραδείγματα. Τέλος περιγράφονται νέες εφαρμογές που στηρίζονται στις συστημικές προσεγγίσεις και ορίζουν την έννοια της «Συστημικής Βιοτεχνολογίας». Επισημαίνεται ότι τόσο η Συστημική Βιολογία όσο και η Συνθετική, η οποία περιγράφεται ακολούθως, έχουν κοινές ρίζες με τη Μεταβολική Μηχανική. Στη συνέχεια, παρουσιάζεται η Συνθετική Βιολογία (ΣΒ) και εξηγείται πώς προέκυψε από την ανάπτυξη της συστημικής προσέγγισης των βιολογικών συστημάτων. Αναλύονται η σύνδεση της Βιολογίας με τη Μηχανική και η ορθολογική διαχείριση του κυττάρου και των μηχανισμών μέσω του ελέγχου της ροής της γενετικής πληροφορίας. Εξηγούνται έννοιες όπως η σύνθεση «νέας ζωής» από απλά «βιολογικά ανταλλακτικά», ποια είναι αυτά, τι σημαίνει «ορθογωνικότητα» των κυτταρικών λειτουργιών, «ελάχιστο κύτταρο» και «κυτταρικό σασί». Τέλος, περιγράφεται η ανάπτυξη της «Συνθετικής Βιοτεχνολογίας», με παραδείγματα για όλες τις εκφάνσεις της ανθρώπινης δραστηριότητας, από την ενέργεια και τη διατροφή έως την υγεία και το περιβάλλον.

The book includes basic elements of Biology and Genetics presented in a way that makes it easier for engineers and other disciplines that do not have the basic biological knowledge to understand the basics and to be introduced to areas such as cell factory, omics technologies (genomics, proteomics, metabolomics, lipidomics), high throughput technologies etc. The concept of Systems Biology is presented and the elements that differentiate it from classical biology are highlighted, such as the quantified study of bioprocesses as integrated systems and the need for its support from bioinformatics and omics technologies. The systemic approach of organisms, cells and the entire biological structure (metabolic networks, protein synthesis, transcriptional process etc.) highlights the relationships that govern its elements and the need for their mathematical formulation that allows the possibility of predicting functions and designing new ones. In addition, the techniques and methods used in the Systemic study of biological systems such as the bioinformatics tools, as well as the modelling methods of cellular function are presented with specific examples. Finally, new applications based on systemic approaches are described and define the concept of "Systemic Biotechnology". The fundamental role of Metabolic Engineering in the development of Systemic and Synthetic Biology is also presented. Synthetic Biology (SB) and how it arose from the development of the systemic approach to biological systems is also described. The connection of Biology with Engineering and the rational management of the cell and mechanisms through the control of the flow of genetic information are attempted. Concepts such as the synthesis of "new life" from simple "biological spare parts", what these are, what is meant by "orthogenicity" of cellular functions, "minimal cell" and "cellular chassis" are analyzed. Finally, the development of "Synthetic Biotechnology" is described with examples in areas from health and food to the environment.