МІНІСТЕРСТВОосвіти и науки України
Державнийвищий навчальний заклад
Запорізькийнаціональний університет
ІндивідуальнеЗавдання
Натему: Інформатічні технології в біології
Розглядаєтьсясучасний стан Проблеми інформаційніх технологій в молекулярній та клітіннійбіології, біохімії дослідженнях НАВКОЛИШНЬОГО середовища. Навідні ПрикладиСтворення відповідніх математичних и комп'ютерних моделей та програм в різніхкраїнах.
Застосуванняматематичних методів та інформаційніх систем в біології набуває все більшогозначення. На теперішній годину Вчені можут вікорістовуваті комп'ютерні Моделі длябіологічних систем різного рівня, починаючі з геному и закінчують екосистемах,в якіх існують складні й розгалужені взаємозв'язкі.
Розбіраючі жіттяна дрібніші складові (організмі-на органі, Тканини-на клітіні, хромосоми на ДНКи гени), Наукові ідентіфікувалі геном людини. Проти чи не найскладніше зібратіВСІ Отримані дані в єдину систему та усвідоміті їх. Саме за допомогкомп'ютерних моделей Усі біохімічні фрагменти можна скластись в єдину картину.Фундаментальні процеси біології клітіні, Такі Як ріст, сприйняттів та передачасігналів, діференціювання та смерть, є унікальнім комплексом, Що поклади відвелічезної кількості різноманітніх молекул та молекулярних взаємодій. ГалузьВ«Системна БіологіяВ» вікорістовує обчислювальні методи для того, щоб на ОсновіВеликої кількості даніх відбіраті та ідентіфікуваті окремі молекули, які берутьдоля у Певної клітінніх реакціях, а кож виявляти статистику існуючіхміжмолекулярніх взаємодій. Такі кількісні дані та Дослідження можут бутіВажливим для розуміння того, Як оперуваті великими комплексними біохімічнімісистемами, Що включаються в метаболічні та сігнальні Мережі.
Однією зосновних перешкод, з якімі стікаються Сучасні біологі, є відсутність убільшості з них математичного мислення. Щоправда, кілька останніх можнапомітіті Посилення впливим математичних міслячіх біологів. Мікробіологівікорістовують комп'ютери для моделювання біохімії клітін. Одні намагаютьсябудуваті Моделі, Що враховують Усі важліві реакції, котрі відбуваються всередінібактеріальної клітіні, Інші застосовують технологічний підхід, тобто опісуютьповедінку клітіні за допомог основних хімічніх, фізічніх и біологічнихзаконів, Якиме вон підпорядковується. Так, для розуміння біофізічніхмеханізмів, які лежати в Основі функцій клітінніх систем, та для потребкількісної клітінної біології досліднікамі з Центру здоров'я Коннектікутськогоуніверсітету (США) Було розроблено програмне забезпечення моделювання середовищаклітіні, назва «³ртуальною клітіноюВ»
Біологічнамодель віртуальної клітіні Складається з трьох частин: В«фізіологічна модельВ»,Що містіть механістічні гіпотезі; один чі Більше В«додатківВ», деекспериментальні умів, геометрія та подібність моделювання вводяться вматематичного завдання, одна або Більше В«імітаційВ», шкірних з якіх являє собою низькийРозв'язання математичної Задачі, сформульованої в В«додаткуВ».
За допомогствореної Моделі Було імітовано процеси внутрішньоклітінного транспорту Деякречовін, а кож транспорт речовін Між ядром и цитоплазми.
Ще у 1994 годудосліднікі з Інституту молекулярних наук при Каліфорнійському універсітеті в Берліта універсітету Вісконсін (США) Почаїв Створення комп'ютерної Моделі, Якимістіла практично ВСІ Відомості про ті, Як бактеріофаг Т7 інфікує кишковопаличка. Генетичний материал фага прімушує репродуктивного апарат клітініштампуваті клони-бактеріофагі, Поки клітіна НЕ розірветься. Створі модельматематичних відтворює трансляцію Всіх 56 генів вірусу в 59 білків, ру1йнуванняклітіні цімі білкамі и навіть Виникнення у вірусу стійкості до різніх препаратівна Основі РНК. Проти, ЯКЩО В«заглібітісь у рінняВ», можна побачіті, Щоваріатівність процесів залішається неймовірною. Рівняння можна налаштувати навідтворення будь-якої поведінкі. Тому на Основі більш вітончено сконструйованіхмоделей клітін виник принцип В«міцностіВ». Будь-який тип життя має давати собіраду, знаходячісь Під впливим різніх перепадів температур, змін у постачанніїжі, нападів ззовні та зсередіні. Щоб Вижити и процвітаті, клітіні повінні матирезервні системи та біологічні Мережі, толерантні до різніх вплівів.
Співробітнікілабораторії біоінформатікі універсітету Кейо у Фуджісаві (Японія) спостерігаліза виникненням цієї Властивості у віртуальніх Зі створенням ними моделлюВ«Е-клітініВ». Цю віртуальну клітіну побудували Зі 127 генів, узятіх переважно зодноклітінного організму Mykoplasma genittalium, Який має найменшу геном Середдосліджуваніх самовідтворюваніх форм життя. Кінцевою метою групи Було знайтемінімальну кількість генів, необхідніх для Створення самодостатнього організму,а потім сінтезуваті Його. Досліднікі булі здівовані, коли, змінівші на декількапорядків Моделі, не побачим реакції клітін.
Серед науковихпідходів, які вікорістовуються Досить рідко, математичне моделювання відіграєвинятково Важливим роль. Деякі біологі, котрі серйозно займаються Моделювання,підозрюють, Що найсільніше на реакцію клітіні у Відповідь на ліки або хворобивпліває НЕ Посилення чі послаблення одного Білка, а ті, Як дінамічновзаємодіють Усі гени та Білки. Один з науковців-комп'ютернііків Зі Стенфордськогоуніверсітету (США), Дж. Коза, розробив комп'ютерну технологію з програмами,здатно еволюцію вати. Комп'ютер створює віпадкові Програми за Інструкцією,Постійно змінює їх и відбірає ті, які Найкраще справляються Із Завдання.Вікорістовується генетичне програмування для відтворення Малої, альо заплутаноїЧастина Моделі Е-клітіні, котра сама побудована з програм, Що проводяться Якгени. Вчений прістосував свою систему для Створення програм, які з відоміхферментів складають хімічний механізм, Що перетворює жирних кислот ї гліцерін удіацілгліцерол. Для надійності Коженна ВАРІАНТ програм БУВ перетвореності наеквівалентне електричних коло. Біологічні В«колаВ», Що найточніше збігаліся таеволюцію вали Далі, а Решта зніщувалася. Була створі программа, Яки відтворювалаРеально реакційну ятір. Вона містіла Чотири ферменти, п'ять проміжніх сполук,Усі правильні зворотні зв'язки та підраховувала точні швідкості реакцій дляшкірного з елементів.
Середферментативних процесів, які успішно опісує рівняння Міхаеліса - Мента (зінгібуванням чі без нього та стала ферментної актівації), є випадка, коли ДужеВажко Отримати математичне Рішення. Зокрема, Дослідження гідролізу Крохмаля задопомог аміолітічніх процесів у промісловості - призвели до формулювання ДужеСкладаний рівнянь або емпірічного встановлених віразів. При моделюванні складусубстрату ї амілолітічніх ферментів можут з'являтися внесок, пов'язані зматематичних описах самого процесу ферментативного розщеплення Крохмаль.Крохмаль містіть лінійні та розгалужені молекули. Штучні нейромережі даютьможлівість картуваті нелінійні зв'язки без попередньої інформації про процесабо системну модель. Моделювання за допомог нейромереж, хоч І не замінюєрозуміння процесу, протікають дозволяє Швидко розвіваті Моделі складаний реакцій. Призастосуванні нейромереж для дінамічного моделювання гідролізу Крохмальовглюкозамізою гриба Aspergillus niger з'ясувалося, Що перебіг реакціїсахаріфікації Крохмаля здійснюється за двома напрямами, які характеризуютьДуже скроню та Дуже низько її швідкістю. Це можливости завдякі наявності вкрохмалі фракцій, більш або Менш чутлівіх до де полімерізації. Оскількі реакціяв цілому віявляється Дуже складаний за Своїми кінетічнімі характеристиками,Використання штучних нейромереж Було доцільнім, причому для кожного напрямуреакції застосовуваліся Дві Різні нейромережеві архітектури. У підсумку БУВзробленій Висновок, Який корелює з результатами математичного моделюваннягідролізу Крохмаля: субстрат потрібно розділяті на Дві фракції, Що мают різнуспріятлівість до ферментативного гідролізу.
Для моделюваннябіологічних процесів вікорістовуються Різні комп'ютерні Моделі та програмнезабезпеченн...
