Інформаційні технології в біології

Співробітники лабораторії біоінформатики університету Кейо у Фуджісаві (Японія) спостерігали за виникненням цієї властивості у віртуальних зі створеною ними моделлю «Е-клітини». Цю віртуальну клітину побудували зі 127 генів, узятих переважно з одноклітинного організму Mykoplasma genittalium, який має найменший геном серед досліджуваних самовідтворюваних форм життя. Кінцевою метою групи було знайти мінімальну кількість генів, необхідних для створення самодостатнього організму, а потім синтезувати його. Дослідники були здивовані, коли, змінивши на декілька порядків моделі, не побачили реакції клітин.

Серед наукових підходів, які використовуються досить рідко, математичне моделювання відіграє винятково важливу роль. Деякі біологи, котрі серйозно займаються моделюванням, підозрюють, що найсильніше на реакцію клітини у відповідь на ліки або хворобу впливає не посилення чи послаблення одного білка, а те, як динамічно взаємодіють усі гени та білки. Один з науковців-комп’ютернииків зі Стенфордського університету (США), Дж. Коза, розробив комп’ютерну технологію з програмами, здатними еволюцію вати. Комп’ютер створює випадкові програми за інструкцією, постійно змінює їх і відбирає ті, які найкраще справляються із завданням. Використовується генетичне програмування для відтворення малої, але заплутаної частини моделі Е-клітини, котра сама побудована з програм, що проводяться як гени. Вчений пристосував свою систему для створення програм, які з відомих ферментів складають хімічний механізм, що перетворює жирну кислоту й гліцерин у діацилгліцерол. Для надійності кожен варіант програм був перетворений на еквівалентне електричне коло. Біологічні «кола», що найточніше збігалися та еволюцію вали далі, а решта знищувалася. Була створена програма, яка відтворювала реальну реакційну мережу. Вона містила чотири ферменти, п’ять проміжних сполук, усі правильні зворотні зв’язки та підраховувала точні швидкості реакцій для кожного з елементів.

Серед ферментативних процесів, які успішно описує рівняння Міхаеліса – Мента (з інгібуванням чи без нього та сталих ферментної активації), є випадки, коли дуже важко отримати математичне рішення. Зокрема, дослідження гідролізу крохмалю за допомогою аміолітичних процесів у промисловості – призвело до формулювання дуже складних рівнянь або емпіричного встановлених виразів. При моделюванні складу субстрату й амілолітичних ферментів можуть з’являтися проблеми, пов’язані з математичним описом самого процесу ферментативного розщеплення крохмалю. Крохмаль містить лінійні та розгалужені молекули. Штучні нейромережі дають можливість картувати нелінійні зв’язки без попередньої інформації про процес або системну модель. Моделювання за допомогою нейромереж, хоч і не замінює розуміння процесу, проте дозволяє швидко розвивати моделі складних реакцій. При застосуванні нейромереж для динамічного моделювання гідролізу крохмалю глюкозамізою гриба Aspergillus niger з’ясувалося, що перебіг реакції сахарифікації крохмалю здійснюється за двома напрямами, які характеризуються дуже високою та дуже низькою її швидкістю. Це можливо завдяки наявності в крохмалі фракцій, більш або менш чутливих до де полімеризації. Оскільки реакція в цілому виявляється дуже складною за своїми кінетичними характеристиками, використання штучних нейромереж було доцільним, причому для кожного напряму реакції застосовувалися дві різні нейромережеві архітектури. У підсумку був зроблений висновок, який корелює з результатами математичного моделювання гідролізу крохмалю: субстрат потрібно розділяти на дві фракції, що мають різну сприятливість до ферментативного гідролізу.

Для моделювання біологічних процесів використовуються різні комп’ютерні моделі та програмне забезпечення. Так, дослідниками з Будапештського технологічного університету (Угорщина) використовувалися інструментарій, придатний для математичного моделювання, створений на основі програмного забезпечення MATLAB. Крім традиційних методик in vivo та vitro, згадане математичне моделювання є ефективною методологією з точки зору економії як коштів, так і часу. Ця програмна система забезпечує розв’язання систем диференційних рівнянь за допомогою легких у використанні графічних поверхонь. Для моделювання технологічних біопроцесів зручно описувати динамічну поведінку великої кількості різноманітних ензимів, ферментативних та екологічних систем. Надзвичайно вигідним є те, що випадкове втручання також можна змоделювати й представити графічно у різний спосіб. Представлення кінетики цих систем, як правило, складається зі звичайних систем диференційних рівнянь, розв’язання яких є можливим завдяки відомим комерційним системам програмного забезпечення та випробувальним версіям програм. Науковці з Будапештського технологічного університету провели роботу, метою якої було покращення деяких недоліків інструментарію моделювання MATLAB.

Подібні статті

Молекулярні механізми кросинговеру
Кросинговер - це явище обміну ділянками гомологічних хромосом після кон’югації у профазі-1 мейозу. Результатом цього процесу є обмін генетичною інформацією між хромосомами. Це є одним з головних чинників еволюції,так як забезпечує комбінат ...

Еволюція органічного світу по ерах
За даними палеонтології і геології, історія Землі і життя на ній розділена на п'ять ер, кожна з них характеризується певними організмами, що переважали протягом цієї ери. Кожна ера розділяється на декілька періодів, а період у свою чергу - ...