¿Cuáles son algunos ejemplos de redes en evolución en biología?

Soy un estudiante de maestría que trabaja en análisis de redes en general. Una red es algo que tiene nodos y hay enlaces entre los nodos. Los nodos y enlaces pueden tener atributos. Una red en evolución es aquella que cambia con el tiempo (se agregan nuevos nodos y enlaces, etc.). Un ejemplo de eso es Facebook. Los nodos son usuarios y los enlaces representan la relación de amistad. Los usuarios tienen atributos (género, edad, etc.). Una red de Facebook como saben es un ejemplo de una red social.

El problema es que mucha gente estudió las redes tradicionales en evolución como las redes sociales, la web o las redes de transporte. Actualmente estoy buscando nuevos ejemplos de redes en evolución para estudiarlas. Así que pensé que podría haber algunos ejemplos en biología que podrían representar algún tipo de red en evolución.

Entonces mi pregunta: ¿Me puede dar ejemplos en biología para redes en evolución? Soy consciente de las redes metabólicas, pero eso también está muy estudiado, necesito algo más.

No sé si se les puede llamar redes: Relaciones ecológicas entre organismos
@biogirl Mi copia de 'Ecological Networks' de Pascual y Dunne sugeriría que puedes :)

Respuestas (5)

Otros han resumido muy bien los diferentes tipos de redes biológicas y cómo pueden evolucionar. Me gustaría hacer una fina distinción entre evolución y adaptación dinámica y añadir algunos comentarios sobre la evolución relativa de diferentes redes biológicas.

Dada una arquitectura, una red puede responder dinámicamente a diferentes entradas. Las rutas preferidas pueden cambiar y las características de salida pueden variar. Los casos de ejemplo incluyen el efecto del medio ambiente en el metabolismo. Personalmente, no consideraría esto como una evolución de la red porque la arquitectura sigue siendo la misma. La evolución de la red se refiere al recableado o la adición de nuevas conexiones.

Sería apto clasificar las redes biológicas así:

  • redes moleculares

    • Redes reguladoras de genes (GRN)
    • Redes de interacción molecular (proteína-proteína) (PPI)
    • Redes de señalización celular

  • redes celulares

    • Redes neuronales
    • Biopelículas (?)

  • redes de organismos

    • Redes ecológicas (redes alimentarias, etc.)

Hay varias formas en que una red puede evolucionar: Adición de bordes, eliminación de bordes, modificación de bordes, adición de nodos, eliminación de nodos y duplicación de nodos.

En las redes moleculares, la modificación de los bordes ocurre cuando la interacción química se ve afectada. Por ejemplo, en una red reguladora de genes, una interacción promotor-factor de transcripción (TF) puede cambiar si hay una mutación en la secuencia del promotor o en el dominio de unión al ADN de TF. Existe una situación similar en los casos de interacciones PPI y ligando-receptor (aunque el concepto de mutación no se aplica a los ligandos). Las duplicaciones de genes (nodos) también son un mecanismo común de evolución de GRN. Las deleciones /inactivaciones de genes también cambian la red y, en algunos casos, dan como resultado enfermedades complejas. Las redes metabólicas evolucionan si una enzima muta y se crea una nueva vía. Por lo general , las adiciones de nodos rara vez ocurren; duplicaciones de nodos ylas modificaciones de los bordes son más comunes en las redes moleculares.

En las redes neuronales la plasticidad es mayor que en las redes moleculares. Hay una arquitectura básica que es esencial para sustentar la vida, pero las conexiones siguen cambiando, no obstante, en las regiones no centrales. Dado que la neurogénesis activa se detiene después de cierto punto, podemos suponer que la cantidad de nodos permanece sin cambios, pero la adición de bordes (nueva sinapsis), la eliminación de bordes (poda sináptica) y la modificación de bordes (potenciación/depresión a largo plazo) es bastante rampante y generalizada. En las enfermedades neurodegenerativas mueren las neuronas y por lo tanto se pierden los ganglios.

Las redes ecológicas se ven afectadas por las barreras ambientales y geológicas. Entonces, hay varias subredes (ecosistemas) que están débil o fuertemente conectadas entre sí. La introducción de especies foráneas ( adición de nodos ) provoca una perturbación inmediata de la arquitectura de la red local . Los efectos a largo plazo surgen debido a la extinción ( eliminación de nodos ), especiación ( evolución de nodos que conduce a la modificación de bordes , es decir, hábitos de alimentación, etc.).

También se debe tener en cuenta que en todos los casos el efecto de un cambio en una red depende de qué nodo/borde se vea afectado; los concentradores están bajo un estricto escrutinio y están protegidos de perturbaciones porque cualquier desregulación puede provocar el colapso de la red. Algunas redes también siguen el comportamiento de apego preferencial (lo que parece contradictorio con la preservación del concentrador como mecanismo). Supongo que las redes moleculares no emplean apego preferencial mientras que las redes ecológicas sí lo hacen.

¡Lo siguiente no responde la pregunta! Solo da algunas ideas de dónde encontré personalmente algún trabajo relacionado con el análisis de redes en biología.

La mayoría de las redes de las que he oído hablar en biología se refieren a

  • red de interacciones entre especies
  • red de interacciones individuales dentro de una población
  • red de interacciones de subpoblaciones dentro de una metapoblación
  • red neuronal
  • red anatómica (vasos sanguíneos, esqueleto, etc.)
  • red de rutas metabólicas.

A continuación, le doy un montón de títulos de artículos que analizan las redes en biología. Probablemente agregaré los enlaces más tarde. ⌣ ¨ pero si simplemente copia y pega estos títulos en erudito.google o en WebOfKnowledge, encontrará fácilmente los artículos.

  • Evolución de una red social vertebrada de toma de decisiones
  • cambio climático, impactos humanos arrecifes de coral
  • arquitectura de aumento mutualista de la biodiversidad
  • variación en la propensión a la migración entre los individuos mantenida por la estructura del paisaje
  • esqueleto y escalamiento fractal en redes complejas
  • La modificación del hábitat altera la estructura de las redes alimenticias del parasitoide huésped tropical

Este último artículo se refiere al impacto de varios entornos en la red de interacciones entre el huésped y los parásitos. Bastante interesante para un biólogo.

Esperaría que la mayoría de las redes en evolución en biología se refiera al impacto de los cambios ambientales en la red de especies, subpoblaciones e interacciones entre especies. Es posible que haya esperado algunas cosas que están más relacionadas con la biología evolutiva. Creo que la mayor parte de este trabajo se refiere a la ecología evolutiva y los procesos evolutivos en metapoblaciones. Aquí hay un artículo muy interesante y muy teórico (de stuart kauffmann) sobre biología evolutiva aunque eso no tiene nada que ver con la ecología.

  • anticaos y adaptacion
1-en realidad, lo que necesito es construir un conjunto de datos de una red en evolución (que se registra con el tiempo) para poder estudiar los datos. Mi universidad tiene un excelente departamento de biología, entonces, ¿es posible obtener los datos de algo que mencionaste? ¿O los ejemplos son teóricos? No soy nada bueno en biología, por eso los encontré un poco difíciles de entender. 2- Solo me preocupan las redes en evolución. Entonces, ¿puede eliminar los ejemplos que no se refieren a redes en evolución?
Al volver a leer el único artículo que consideré ofrecer redes en evolución, me doy cuenta de que en realidad no ofrece redes en evolución. Es solo una comparación de redes entre diferentes ecosistemas. Hum... así que no conozco ningún artículo que informe sobre el análisis de una red en evolución en biología. Sin embargo, probablemente exista. Supongo que no eliminaré mi respuesta porque da una idea de dónde podemos encontrar redes en biología, que siempre es informativa.
Supongo que será aún más difícil si tienes que encontrar un buen conjunto de datos. Una vez que encuentre un artículo que presente una red en evolución, siempre puede preguntar a los autores si puede usar sus datos para su proyecto y, por supuesto, no olvide decirles que citará su trabajo.

¡Creo que esta es una pregunta muy interesante ya que personalmente trabajo con redes con mucha frecuencia!

Según su definición de redes en evolución, es factible considerar que las redes de interacción proteína-proteína evolucionan, ya que con el tiempo se descubren más y más interacciones entre diferentes proteínas y se prueban más proteínas (nodos) nuevas para determinar su interacción con otras proteínas.

Si esto cumple con su definición, entonces puede usar las bases de datos de interacción de PP como BioGRID y observar las diferentes versiones y ver qué proteínas se agregan con el tiempo y qué nuevas interacciones se han agregado entre diferentes versiones. Aquí está la página de archivos de BioGRID ( http://thebiogrid.org/download.php ). BioGRID también tiene un complemento de Cytoscape que puede usar, aunque nunca he trabajado con redes dinámicas en Cytoscape, así que tal vez eche un vistazo a Pavlopoulos et al 2008 BioData Min, que es una encuesta de herramientas de visualización para el análisis de redes biológicas.

¡Espero que esto ayude!

mmhh interesante. Y bueno que los datos estén disponibles gratuitamente con su ejemplo. Pero el análisis de esta red en evolución daría más información sobre la historia del descubrimiento de nuevas proteínas que sobre los mecanismos biológicos subyacentes reales. Aunque no estoy seguro. Supongo que podría indicar cuán cerca estamos de tener una buena definición de cómo se ve la red de interacciones de proteínas. Estos datos podrían interesar al OP.
Sí, este conjunto de datos analizado en un sentido dinámico puede decirnos qué tan cerca estamos de una buena estimación de las interacciones globales de PP en un organismo dado, dadas las técnicas/equipos utilizados y cuál ha sido la tasa de progresión de encontrar interacciones de PP a lo largo del tiempo, pero sin embargo, es más un relato histórico que un fundamento biológico. Los datos deberían correlacionarse más apropiadamente con los equipos/técnicas, aunque hay muchas otras variables ocultas, como la cantidad de personas que participaron en el descubrimiento de interacciones de PP entre las publicaciones de datos, etc.

No estoy seguro si esto cumple con su definición de red, pero hay varias cascadas de quinasas que transmiten señales. Por ejemplo, la cascada MAPK básica ha evolucionado para desempeñar diferentes funciones a través de las cascadas ERK, JNK y p38.

La evolución de las vías de la MAP quinasa: la coduplicación de proteínas que interactúan conduce a nuevas cascadas de señalización. Caffrey et al., Revista de evolución molecular, 1997. Enlace aquí

Señales antiguas: genómica comparativa de las familias de genes MAPK y MAPKK de plantas. Enlace aquí . Manning et al., Tendencias en Ciencias Bioquímicas, 2002.

¿Puedes agregar algunas referencias?
agregó un par de referencias: leer artículos de wikipedia sobre MAPK también sería muy útil; estas proteínas son extremadamente importantes para una amplia gama de funciones celulares

Hormigas, mohos mucilaginosos y sesos.

Las hormigas y los mohos mucilaginosos usan reglas simples para generar redes de transporte bastante buenas de manera emergente, y los cerebros se conectan y reconectan constantemente (agregando/eliminando bordes, pero no por lo general nodos).

Las redes evolutivas, las redes metabólicas y las redes ecológicas son mucho más difíciles de obtener conjuntos de datos concretos, debido a las escalas de tiempo y espacio involucradas. (Me refiero a la escala de tiempo en la que se produce la adición/eliminación de nodos y la modificación de bordes, que está en el tiempo evolutivo)

Sin embargo, las formas del moho del limo, los caminos de las hormigas y los rastros de las neuronas son reproducibles en el laboratorio. Los algoritmos tipo hormiga son bastante comunes, por lo que puede ejecutar uno de esos y luego examinar el gráfico que muestra mientras funciona. Esas no son precisamente redes biológicas, pero ciertamente biomiméticas. Si es probable que las sutilezas sean importantes, es posible que tengas que conseguir algunas hormigas físicamente.

Si está buscando bases de datos prefabricadas de experimentos con moho mucilaginoso o hormigas, puede intentar ponerse en contacto con los autores del artículo de PNAS , pero no creo que nadie esté buscando modelar el comportamiento del moho mucilaginoso como un gráfico. ¡Podrías ser el primero!

¿Podría proporcionar algunas bases de datos y referencias que tengan registrada la evolución de estas redes a lo largo del tiempo? También el recableado/cableado neuronal es una red estática pero dinámica, pero no evoluciona en el sentido de que el número de neuronas, por lo tanto, los nodos aumenta con el tiempo después del nacimiento, como se indica en la respuesta WYSIWYG, pero como se indica, solo se puede usar como una evolución deconstructiva. Redes en condiciones neurodegenerativas. ¡Todavía algunas referencias serían geniales!
No estoy seguro de que existan las bases de datos que solicita. Sin embargo, definitivamente serían útiles para estudios como este. Agregué algunas referencias a personas que trabajan en campos relevantes y algunos enfoques biomiméticos, que pueden funcionar para usted.
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