Εφαρμογές της θεωρίας της πληροφορίας στα Βιολογικά συστήματα

Abstract

Η Βιολογία Συστημάτων είναι πλέον ο νέος τρόπος προσέγγισης των βιολογικών φαινομένων που κατανοεί και αποδέχεται την εγγενή πολυπλοκότητά τους χωρίς να την περιορίζει. Η κατανόηση σε επίπεδο συστήματος είναι μια ισχυρή εναλλακτική στην παραδοσιακή αναγωγική προσέγγιση που χρησιμοποιούν σήμερα πολλοί κλάδοι της Βιολογίας. Η συστημική θεώρηση απαιτεί στενή συνεργασία με άλλους επιστημονικούς κλάδους όπως τα Μαθηματικά, η Φυσική και η Επιστήμη των Υπολογιστών. Στο πλαίσιο αυτό μελετάται η Θεωρία της Πληροφορίας του Claude Shannon η οποία τις τελευταίες δεκαετίες έχει σημειώσει σημαντική πρόοδο στην παροχή εννοιολογικών πλαισίων για τον προσδιορισμό της δυναμικής των Βιολογικών Συστημάτων. Στην παρούσα διπλωματική εργασία γίνεται μια συστηματική ανασκόπηση που αφορά στη συνεισφορά της Θεωρία της Πληροφορίας στην κατανόηση και μελέτη διάφορων βιολογικών προβλημάτων. Τα Βιολογικά Συστήματα που εξετάζονται κατατάσσονται με βάση τον τύπο των στοιχείων του συστήματος και τις αλληλεπιδράσεις μεταξύ τους, σε Γενετικά Ρυθμιστικά Δίκτυα, Μεταβολικά, Πρωτεϊνικά και Σηματοδοτικά Δίκτυα. Οι μελέτες που παρουσιάζονται σε αυτή την ανασκόπηση δείχνουν ότι οι προσεγγίσεις της Θεωρίας της Πληροφορίας είναι σε θέση να παράγουν νέα γνώση συμβάλλοντας σε μια πιο συνολική κατανόηση των Βιολογικών Συστημάτων.

Systems Biology is the new way of approaching biological phenomena that takes into account the inherent complexity. Understanding at the system level is a powerful alternative to the traditional reductionist approach, used in many branches of Biology. System thinking requires interdisciplinary approaches and brings together principles and concepts from areas of study as Mathematics, Physics and Computer Science. In this context, Claude Shannon's Information Theory has made significant progress in providing conceptual frameworks for identifying the dynamics of biological systems. This thesis provides a systematic review of most of the existing studies on the contribution of Information Theory in inferring and understanding of various biological problems. Biological systems are classified based on the type of system components and the interactions between them in Gene Regulatory, Metabolic, Protein-Protein Interaction and Signaling Networks. The related studies show that information-theoretic methods are able to generate new knowledge, contributing to a better understanding of biological systems.