Слайд 1Программирование внутриклеточных реакций
Белецкий Б. А.
Слайд 2Успехи вычислительной биологии
1944 – E. Schrodinger «What is life? The
Physical Aspect of the Living Cell»
1948 – самовоспроизводящиеся автоматы фон-Неймана
1952
– A.M. Turing “The Chemical Basis of Morphogenesis”
1953 – открытие структуры ДНК
1958 – впервые найдена высокоточная пространственная структура белка
1958 – сформулирована основная догма молекулярной биологии: ДНК->РНК->Белок
1968 – расшифровка генетического кода
Слайд 3Успехи вычислительной биологии
1970 - … последовательности однотипных объектов исследуются при
помощи ЭВМ:
ДНК/РНК (A,C,G,T/U)
белки (A,R,N,D,C,E,Q,G,H,I,L,K,M,F,P,S,T,W,Y,V)
1972 – появляются открытые банки белковых структур
(wwPDB - 77000 записей)
1977 – секвенирование первого полного генома (фаг ФХ174, 5386 н., 11 белков)
1977 – открытые банки данных геномов (NCBI)
высшие организмы (859)
низшие организмы (3147)
вирусы (2879)
Слайд 4Успехи вычислительной биологии
1990 – S. Altschul, W. Gish, W. Miller,
E. Myers, D. Lipman (October 1990). “Basic local aligment search
tool” (BLAST)
2001 – секвенирование полного генома человека (3,2 млрд. н., 25 тыс. белков)
2004 – Luka Cardelli “Bioware Languages”
2008 – А.М. Гупал, И.В. Сергиенко «Оптимальные процедуры распознавания»
2010 – создание искусственной бактерии Mycoplasma Laboratorium (0,5 млн. н., 382 гена)
2010 – Ю.М. Романовский, А.Н. Тихонов «Молекулярные преобразователи энергии живой клетки. Протонная АТФ-синтаза — вращающийся молекулярный мотор» УФН
2011 – G. Chaitin “Life as evolving software”
Слайд 5Вирус иммунодефицита человека
Геном вируса иммунодефицита человека представлен двумя идентичными молекулами
РНК, каждая из которых имеет длину чуть меньше 10000 нуклеотидов.
Всего геном вируса включает 9 генов. Они кодируют 15 различных белков. Всего использовалось 17 белков.
Слайд 6Внутренняя жизнь клетки
BioVisions - Inner Life of the Cell
Слайд 7Результаты Autonomy Labs
как собрать коробки вместе
очень простые роботы
как отсортировать камни
по размеру
С.С. Хилькевич «Физика вокруг нас» Что происходит при встряхивании
(с. 61), вибросепарация
Слайд 8Сравнение живой клетки и ЭВМ
Клетка
ДНК
Цитоплазма
Аминокислоты
Белки
Синтез белка
Распад белка
ЭВМ
ПЗУ
ОЗУ
Базовые операторы
Программы
Копирование программы из
ПЗУ в ОЗУ
Освобождение ОЗУ после выполнения программы
Слайд 9Сравнение живой клетки и ЭВМ
Клетка
прокариоты
эукариоты
доменная структура белков
отсутствие явно заданной последовательности
белковых взаимодействий
ЭВМ
Одноядерные ЭВМ
Многоядерные ЭВМ
наследование или композиция в ООП
декларативный стиль
в ФП
Слайд 10Программирование при помощи частиц
Взаимодействия между частицами задаются алгоритмически, природа взаимодействий
не изучается
Частицы обладают зарядами, которые позволяют уточнять взаимодействия
Составные частицы
наследуют характеристики своих составляющих
Характеристики частицы зависят от ее структуры
Структуру частицы можно описать в виде линейной последовательности символов конечного алфавита
Java->Scala
Слайд 11Алфавит
Множество базовых частиц
Множество связок вида
Алфавит определяется индуктивно:
;
где , ;
ничто другое не является элементом .
Линейное представление частицы:
Представление в виде бинарного дерева:
,
Слайд 12Конфигурация
Множество положений частицы в системе: ,
Конфигурация:
Отношение соседства:
Путь длиной :
,
Расстояние - длина кратчайшего пути между позициями и ; , если такого пути не существует
Окружение:
Слайд 13Взаимодействия
Взаимодействие:
Взаимодействие составных частиц:
Радиус действия:
,
,
Пример: случайное блуждание
Слайд 14Напряженность
Напряженность:
Напряженность базовой частицы
Радиус действия:
Напряженность составных частиц:
Энергия конфигурации:
Слайд 15Динамика системы
Процедура
,
Выбрать
с равномерной вероятностью
Вычислить
Вычислить
Если , то
Если , то
Исходная конфигурация:
Слайд 16Функция перехода
Функция перехода
:
Выбор новой конфигурации
:
Принятие/отклонение выбранной конфигурации :
Функция перехода за несколько шагов:
Слайд 17Состояние
Состояние системы ,
:
Изменение состояния под действием :
Равновесное состояние :
Слайд 18Модель
Модель:
- алфавит
- множество позиций
- отношение соседства
- напряженность
- взаимодействие
- начальная конфигурация
Достижимые конфигурации, :
Взаимно достижимые:
Множество достижимых конфигураций модели :
- модель системы,
- множество достижимых конфигураций модели, и выполняются условия:
, ;
;
, .
Тогда имеет единственное равновесное состояние ,
причем:
Слайд 20Теорема 2
Пускай выполняются условия Теоремы 1, тогда можно указать такое
число , что вероятность нахождения частицы на позиции
при фиксированных частицах на позициях . в равновесном состоянии не зависит от частиц, находящихся на позициях .
Слайд 21Примеры
Случайное блуждание
Притяжение/отталкивание
Составные заряды
Формирование связи
Взаимодействие, зависящее от заряда
Реакция Белоусова-Жаботинского
Рибосома и мРНК
Слайд 24Пример 3: реакция
Белоусова-Жаботинского
Слайд 25Спасибо за внимание
www.b-squared.org.ua