Systems Biology

1. Systems Biology “Systems Biology, the future of biology in the 21st century” Kitano 2002

2. Overzicht • Inleiding • Definitie bio-informatica • Definitie systeembiologie • Bio-informatica onderzoek • Motiefdetectie & comparatieve genoomanalyse • Analyse van high-throughput data • Pragmatische netwerkinferentie • Gepland onderzoek • Samenwerkingen • Bio-informatica onderwijs • Motivatie

3. Inleiding Kathleen Marchal • 1995: Bio-ir. in de Scheikunde (KULeuven) • 1995-1999: PhD FLTBW (CMPG, KULeuven) • 1999-…: werkzaam als postdoc FWO in de BioI-onderzoeksgroep van ESAT/SCD (KULeuven) Bio-informatica ESAT/SCD • Bio-informatica onderzoek voor klinische applicaties • Bio-IT onderzoek: database management, standaardisatie • Systems Biology onderzoek

4. Bio-informatica definitie “Klassieke" bio-informatica • Gebruik van computers/algoritmes voor analyse van moleculair biologische data • Computational biology • Alignments • Phylogeny • Protein structure modeling,… Eerste citaties met “bioinformatics” Trends Biotechnol 1993 Ann N Y Acad Sci 1993

5. Bio-informatica definitie Revolutie in moleculaire biologie … Sequentiedata Microarraydata SAGE ChIP-chipdata

6. Bio-informatica definitie "Nieuwe" bio-informatica • Structural genomics • Comparative genomics • Functional genomics Mechanistic Biology Systems Biology 2000 1994 1998 2000

7. Systeembiologie Onderzoek naar systeembiologie • Reconstructie van regulatorische netwerken (systeembiologie) in prokaryoten en eukaryoten • Mechanistisch inzicht in het gedrag van een biologisch systeem Systems biology is in its infancy, but this is the area that has to be explored and the area that we believe to be the main stream in biological sciences in this centuryReferences:H. Kitano, Systems Biology: a brief overview, Science, 295:1662-1664, 2002H. Kitano, Computational Systems Biology, Nature, 420:206-210, 2002

8. Bio-informatica onderzoek Systems Engineering Molecular Biology Systems Biology Statistics Biochemistry Mathematics Informatics Biophysics • Bio-informatica: interdisciplinair onderzoek • Bio-informatica is geen “magic” maar impliceert volwaardig onderzoek • Relevante problemen voor het bioi-onderzoek ontstaan vanuit de moleculaire biologie • Moleculair biologische kennis en “wet lab” ervaring zijn essentieel • Bio-informatica ondersteuning essentieel voor moleculair biologisch onderzoek Systems Biology = Biosciences + Computational Sciences + Systems Engineering +...

9. Overzicht systeembiologie Datacompendia Databronnen Pragmatische Inferentieprocedure Biologische doelstellingen Databronnen ‘Omics’-data Microarray data ChIP-chip data Sequentie-data Preprocessing Motiefdetectie Motiefcompendium Expressieprofielen Locatie-data Bio-informatica Netwerkinferentie Geïnfereerd netwerk Motiefmodule Netwerkmodule Expressiegedrag

10. Motiefdetectie en comparatieve genoomanalyse Datacompendia Databronnen Pragmatische Inferentieprocedure Biologische doelstellingen Databronnen ‘Omics’-data Microarray data ChIP-chip data Sequentie-data Preprocessing Motiefdetectie Motiefcompendium Expressieprofielen Locatie-data Bio-informatica Netwerkinferentie Geïnfereerd netwerk Motiefmodule Netwerkmodule Expressiegedrag

11. Motiefdetectie en comparatieve genoomanalyse Transcriptieregulatie Motiefdata Sequentiedata Motiefdetectie gebaseerd op Gibbs sampling (G. Thijs) • Thijs et al. 2001, Bioinformatics • Thijs et al. 2002, J. Comput Biol • Lescot et al. 2002, NAR • Marchal et al. 2003, Trends in Micr.

12. Motiefdetectie en comparatieve genoomanalyse • Phylogenetic footprinting in prokaryoten gebaseerd op Gibbs sampling (P. Monsieurs) Marchal et al., 2004, Genome Biology • Phylogenetic footprinting in eukaryoten (R. Van Hellemont) Rombauts et al., 2004, Plant Physiol

13. Analyse van high-throughput data Pragmatische Inferentieprocedure Biologische doelstellingen Databronnen Databronnen ‘Omics’-data Microarray data ChIP-chip data Sequentie-data Preprocessing Motiefdetectie Datacompendia Motiefcompendium Expressieprofielen Locatie-data Bio-informatica Netwerkinferentie Geïnfereerd netwerk Motiefmodule Netwerkmodule Expressiegedrag

14. Analyse van high-throughput data Microarray-data Expressiedata Preprocessing ChIP-chip-data Interactiedata Preprocessing

15. Analyse van high-throughput data • Normalisatie van ruwe data (K. Engelen) Verwijderen van consistente bronnen van experimentele variatie Marchal et al., 2002, J Biol Systems Engelen et al., 2003, Bioinformatics • Analyse van complexe experimentele designs (F. De Smet) • Feature-extractie • Clustering De Smet et al., 2003, Bioinformatics Marchal et al., 2004, Toxicogenomics

16. Pragmatische netwerkinferentie Datacompendia Databronnen Biologische doelstellingen Databronnen ‘Omics’-data Microarray data ChIP-chip data Sequentie-data Preprocessing Motiefdetectie Motiefcompendium Expressieprofielen Locatie-data Bio-informatica Pragmatische Inferentieprocedure Netwerkinferentie Geïnfereerd netwerk Motiefmodule Netwerkmodule Expressiegedrag

17. Pragmatische netwerkinferentie Reconstructie van transcriptionele netwerken a.h.v expressiedata • Ondergedetermineerd: • 6000*6000 interacties • 10 a 30 experimenten • Pragmatisch, stapsgewijs algoritme (Bayesiaans) • Incorporeert prior-kennis • Belang van experimenteel design

18. Toekomst: focus op Systeembiologie • Wetenschappelijke doelstelling • Compendium microarray-data • Compendium motiefdata • Compendium ChIP-chip-data • Netwerkinferentie • Ideale onderzoeksomgeving • Expertise in bio-informatica FTW/FLTBW • Geïntegreerd onderzoek • Salmonella systeembiologie (CMPG, KULeuven) • Saccharomyces systeembiologie (Lab of Functional Biology, KULeuven) • Beoogde resultaten • Uitbereiden naar andere groepen binnen FLTBW • Publicaties met hoge visibiliteit • Internationale samenwerkingen uitbouwen (EU)

19. Samenwerkingen • Bio-informatica onderzoek • Prof. Y. Van de Peer, (U. Gent) • Dr. B. Naudts, ISLab (UA) • Geïntegreerd onderzoek • Prof. J. Vanderleyden (CMPG, KULeuven) • Prof. J. Winderickx (Lab. Functional Biology, KULeuven) • Dienstverlening • Microarray-analyse en experimenteel design • Prof. R. Bouillon (LEGENDO, KULeuven) • Prof J. Vanderleyden (CMPG , KULeuven) • Prof. T. Ayoubi (VIB) • Prof. P. Van Hummelen (MAF, VIB) • Sequentie-analyse en annotatie • Prof. J. Michiels (CMPG , KULeuven) • Prof J. Vanderleyden (CMPG , KULeuven)

20. Onderwijs “Bio-informatica als essentieel onderdeel van het curriculum moleculaire biologie” • Onderwijs KULeuven • IF17: Bio-informatics (GGS Bio-informatics) • IE72: Bio-informatica werkcollege (FLTBW) • I427A: Seminaries Cel- en Genbiotechnologie (FLTBW) • Begeleiden van thesisstudenten • Onderwijs buiten KULeuven • ICES (Instituut permanente vorming; Bioinformatics, Biostatistics), U. Gent • Masters of Biotechnology, U. Gent • Didactische methode • Praktisch en theoretisch inzicht • Exemplarisch • Toegepast op biologisch relevante voorbeelden • Aangepaste cursustekst • Dienstverlening • Lid van de POC GGS Bioinformatics • Opstellen van de syllabi voor de BAMA Cel- en Genbiotechnologie

21. Motivatie • Onderzoeksaspect • Uitdaging van wetenschappelijk onderzoek • Analytisch aspect: hoe efficient probleem oplossen door combinatie van verschillende disciplines • Biologisch aspect: • Noodzaak aan biologisch inzicht • Onderzoeksdomein op zichzelf • Interdisciplinair karakter van Bio-informatica • Didactisch aspect • Belang van bio-informatica in curriculum moleculaire biologie • Meerwaarde • Samenwerken verschillende disciplines • Begeleiden/motiveren van studenten

22. Besluit • Bioi-onderzoek in Vlaanderen (BBC) • U. Gent • F. Wet. Plant Systems Biology • Prof. Van de Peer, Prof. P. Rouze (Bioinformatics and Evolutionary Biology) • Dr. Kuiper (Computational Biology) • F.L.T.B.W. Vakgroep Moleculaire Biotechnologie • Dr. Van Crieckinge, U.Gent • U. Antwerpen • Wiskunde en Computerwetenschappen • ISLAB, Dr. Naudts • K.U.Leuven • Biomedische wetenschappen • REGA, Prof. Vandamme, Prof. Van Ranst • Wetenschappen • Biochemie,Prof. Engelborghs • Toegepaste wetenschappen • ESAT/SCD, Prof. De Moor • Interdisciplinair aspect • Interfacultaire GGS • Systems Biology onderzoek (geïntegreerde projecten) • PROMETA • Ideale context voor hoogstaand bio-informatica onderzoek & onderwijs

23. Met dank aan … Collega’s van ESAT/SCD Bioi Prof. B. De Moor Kristof Engelen Pieter Monsieurs Ruth Van Hellemont Dr. Gert Thijs Md. Frank De Smet Collega’s van CMPG Prof. J. Vanderleyden Prof. J. Michiels Dr. Sigrid De Keersmaecker