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

Definitie bio-informatica Definitie systeembiologie 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

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

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

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

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

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 century References: H. Kitano, Systems Biology: a brief overview, Science, 295:1662-1664, 2002 H. Kitano, Computational Systems Biology, Nature, 420:206-210, 2002

Bio-informatica onderzoek 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 Engineering Biochemistry Molecular Biology Biophysics Statistics Mathematics Informatics Systems Biology = Biosciences + Computational Sciences + Systems Engineering +...

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

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

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.

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

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

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

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

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

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

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)

Samenwerkingen Bio-informatica onderzoek Geïntegreerd 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)

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

Meerwaarde Motivatie Onderzoeksaspect Didactisch aspect 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

Interdisciplinair aspect 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

Collega’s van ESAT/SCD Bioi 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