Metoda modelowania systemów biologiczno-chemicznych oparta o systemy wie-loagentowe może być z powodzeniem stosowana na każdym szczeblu organizacji orga-nizmów, począwszy od pojedynczych cząsteczek chemicznych a skończywszy na ca-łych populacjach. Co więcej, jest to metoda, która jest w stanie pozwolić na symulację nie tylko pojedynczego, wyodrębnionego poziomu organizacji, ale także bardziej złożo-nych zjawisk, które do pełnego zrozumienia wymagają modelowania wielu poziomów organizacji i interakcji pomiędzy nimi (Dada i Mendes 2011). Ponieważ przy użyciu systemów wieloagentowych powstało wiele modeli biologicznych, w tej sekcji przyto-czę tylko kilka z nich, tak aby pokazać szerokie spektrum zastosowań dla metody mode-lowania opartej o te systemy.
Jednym ze zjawisk, które niejednokrotnie zostało zamodelowane za pomocą sys-temów wieloagentowych jest proces nowotworzenia. Skala przestrzenna tego procesu sięga od sub-komórkowej poprzez komórkową do tkankowej. Istotna jest także skala czasowa, która rozciąga się od sekund dla ścieżek sygnałowych w komórkach, po mie-siące dla zmian obserwowalnych w tkankach (Osborne et al. 2010). Przykładem modelu wieloagentowego procesu nowotworzenia jest trójwymiarowy model nowotworu płuc skupiający się na wzajemnych relacjach pomiędzy dwoma czynnikami mającymi zna-czący udział w procesie nowotworzenia (Wang et al. 2009). Bardziej zaawansowany model opisujący wzrost guzów nowotworowych integruje model inwazji guza litego z modelem angiogenezy indukowanej przez guz (Macklin et al. 2009) oraz wieloskalo-wym modelem raka mózgu (Zhang et al. 2009).
Adra i współpracownicy zaproponowali trójwymiarowy model wieloagentowy ludzkiej epidermy, który składa się z trzech komunikujących się warstw obrazujących procesy biologiczne rządzące komórkami epidermy (Adra et al. 2010). Model in silico wątroby wykorzystujący systemy wieloagentowe zaimplementowano w celu poznania mechanizmów metabolizmu szeregu istotnych z medycznego punktu widzenia związ-ków chemicznych w wątrobie (Yan et al. 2008). Podobnie, w celu przewidywania efek-tów histopatologicznych na podstawie zmian w fenotypach komórkowych kontrolowa-nych przez wywoływane chemicznie zaburzenia ścieżek molekularkontrolowa-nych, zaprojektowa-no wirtualna tkankę (Shah i Wambaugh 2010). Systemy wieloagentowe znalazły także zastosowanie w modelowaniu rozwoju skrzepu w naczyniach krwionośnych (Xu et al.
4.5 Systemy wieloagentowe
2008) oraz modelowaniu aktywacji, przemieszczania się oraz adhezji pojedynczych leukocytów (Tang et al. 2007).
Systemy wieloagentowe znalazły także zastosowanie w modelowaniu dyfuzji cząsteczek wewnątrz komórki. Podejście to ma na celu uwzględnienie wpływu istnienia szkieletu wewnątrzkomórkowego na przemieszczanie się substancji wewnątrz komórki oraz wpływu ograniczonej dyfuzji na tempa reakcji chemicznych (Klann et al. 2011;
Azimi et al. 2011). Bezpośrednio modelując istnienie złożonej sieci elementów struktu-ralnych w komórce, zbadano transport pęcherzyków wewnątrz komórki drożdży (Klann et al. 2012). Model ten pozwolił na ukazanie jak spolaryzowanie struktury cytoszkieletu prowadzi do spolaryzowania rozmieszczenia receptorów biorących udział w endocyto-zie u drożdży.
Ciekawym zastosowaniem modelowania opartego o systemy wieloagentowe jest badanie zjawiska chemotaksji u bakterii E. coli (Miller et al. 2010). Podejście to bada wpływ transdukcji sygnałów wewnątrz komórki oraz rolę receptorów na ruch komórki w zależności od zewnętrznych czynników stymulujących. Na samym zagadnieniu transdukcji sygnału wewnątrz komórki koncentruje się praca Pogsona i współpracowni-ków (Pogson et al. 2006). Zaproponowali oni model sieci sygnalnej dla czynnika tran-skrypcyjnego NF-κB (ang. nuclear factor kappa-light-chain-enhancer of activated B cells), który jest decydującym czynnikiem dla regulacji odpowiedzi immunologicznej w organizmach.
Grupa Petera Dittricha rozwija podejście, w którym cząsteczki mają nie tylko przypisane położenie w przestrzni, ale także brany pod uwagę jest ich kształt oraz geo-metria oddziaływań (Gruenert et al. 2010). Za pomocą tego podejścia wykazano, że uwzględnienie aspektu geometrycznego oddziaływań może prowadzić do powstania złożonych zgrupowań cząsteczek i zjawiska transportu, który jest szybszy niż dyfuzja.
Modelowaniem procesów biologicznych za pomocą systemów wieloagentowych zajmuje się także Szymon Wąsik będący promotorem pomocniczym niniejszej pracy doktorskiej (Wasik et al. 2010, 2014). Przedmiotem jego badań jest wirus zapalenia wątroby typu C (HCV) prowadzący do marskości wątroby, raka tego narządu oraz chłoniaków (Rusyn i Lemon 2014; Ferri et al. 2015). Stworzony model wieloagentowy infekcji wirusa HCV pozwala na wiarygodne przewidywanie rozwoju choroby, a tym samym może okazać się przydatny na etapie dobierania odpowiedniej terapii dla cho-rych, zwiększając szansę na wyleczenie.
Definicja problemu hipotezy Świata RNA
W rozdziale 5 znajduje się opis zaproponowanego przez autorkę niniejszej pracy doktorskiej bioinformatycznego modelu początków życia na Ziemi. Model ten wyróżnia cztery poziomy organizacji prebiotycznego świata, które obejmują cztery istotne z punktu powstania życia na Ziemi przejścia jakościowe. W ramach następnej sekcji bardziej szczegółowo opisano najwyższy poziom złożoności wyodrębniony w ramach proponowanego modelu organizacji. Opisano tutaj model pasożyta-replikazy (model RP), który obrazuje przykładowy typ interakcji właściwy dla najwyższego wyodrębnio-nego poziomu złożoności. Model RP opisuje interakcje pomiędzy replikazami a czą-steczkami o charakterze pasożytniczym i został ogólnie zdefiniowany za pomocą języka ML-Rules. Przedstawione w niniejszej pracy w kolejnych rozdziałach 6-9 modele wy-korzystujące różne metody zostały zbudowane dla zdefiniowanego w sekcji 5.2 modelu RP.
Zaproponowany w tym rozdziale model organizacji prebiotycznego życia, defi-nicja problemu Świata RNA w języku ML-Rules oraz koncepcja rozwiązania problemu są w całości wynikiem prac badawczych autorki, prowadzonych pod kierownictwem promotora. Przedstawiony schemat organizacji został zawarty w publikacji autorki ni-niejszej pracy doktorskiej (Szostak et al. 2016b) oraz zaprezentowany na licznych kon-ferencjach o zasięgu krajowym oraz międzynarodowym.
Aby usystematyzować wiedzę i podejścia naukowe do problemu życia na Ziemi, w szczególności w ujęciu hipotezy Świata RNA, autorka niniejszej pracy