БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
Выпускная работа по
«Основам информационных технологий»
Магистрант
кафедры системного анализа
Чухутина Ольга
Руководители:
ст. преподаватель
Яцков Николай Николаеевич,
ст. преподаватель
Кожич Павел Павлович
Минск – 2009 г.
Список обозначений ко всей выпускной работе. 4
Глава 2.Методика исследований. 8
2.1 Актуальность изучения процессов полимеризации актина. 8
2.2 Реагенты и реакции при полимеризации актина. 8
2.3 Стохастический подход к моделированию биохимических реакций 11
2.4 Алгоритмы имитационного моделирования биохимических реакций 12
2.4.2 Метод первой реакции. 15
Глава 3.Основные результаты.. 15
Глава 4.Анализ результатов. 17
4.1 Сравнение аналитической и имитационной моделей. 17
4.2 Анализ экспериментальных данных. 19
Список литературы к реферату. 21
Список использованных источников. 21
Список публикаций соискателя. 22
Предметный указатель к реферату. 23
Интернет ресурсы в предметной области исследования. 24
Действующий личный сайт в WWW... 25
Презентация магистерской диссертации. 27
Список литературы к выпускной работе. 29
Список обозначений ко всей выпускной работе
| Реагенты | |||
| ATМ | g-актин в АТФ форме | ||
| ADМ | g-актин в АДФ форме | ||
| ATF | f-актин в АТФ форме | ||
| ADF | f-актин в АДФ форме | ||
| FIB | Плюс-концы филамент | ||
| FTB | Плюс-концы с последним актином в АТФ форме | ||
| FDB | Плюс-концы с последним актином в АДФ форме | ||
| FIP | Минус-концы филамент | ||
| FTP | Минус-концы с последним актином в АТФ форме | ||
| FDP | Минус-концы с последним актином в АДФ форме | ||
| CBM | Блокирующий протеин плюс-конца в свободной форме | ||
| CBF | Блокирующий протеин плюс-конца в связанной форме | ||
| FOM | Формин в свободной форме | ||
| FOF ^ FxB FxP | Формин в связанной форме Позиция между двумя актинами в филаменте Все типы плюс-концов филамент Все типы минус-концов филамент | ||
| Реакции | |||
| SNUC | Нуклеация | ||
| FNUC | Формин-инициируемая нуклеация | ||
| ASTB | Элонгация плюс-конца частицей АТФ актина | ||
| ASDB | Элонгация плюс-конца частицей АДФ актина | ||
| ASTP | Элонгация минус-конца частицей АТФ актина | ||
| ASDP | Элонгация минус-конца частицей АДФ актина | ||
| ASTF | Элонгация плюс-конца с фомином частицей АТФ актина | ||
| DITB | Диссоциация АТФ актина с плюс-конца | ||
| DIDB | Диссоциация АДФ актина с плюс-конца | ||
| DITP | Диссоциация АТФ актина с минус-конца | ||
| DIDP | Диссоциация АДФ актина с минус-конца | ||
| ASCB | Блокировка плюс-конца | ||
| DICB | Разблокировка плюс-конца | ||
| CBNU | Нуклеация c участием блокирующего протеина | ||
| DIFB | Отсоединение формина от плюс-конца | ||
| ASFB | Присоединение формина к плюс-концу | ||
| TTOD | Переход f-актина из АТФ в АДФ форму | ||
| DTOT | Переход g-актина из АДФ в АТФ форму | ||
В настоящее время вычислительный эксперимент является одним из основных инструментов развития таких естественнонаучных областей как физика, химия, биология. Как правило, исследуемые в этих научных дисциплинах системы характеризуются значительным числом взаимодействующих компонентов (в свою очередь являющихся подсистемами), многообразием связей между своими компонентами, нелинейностью поведения и, как следствие, сложностью прогнозирования. Поскольку, зачастую, нет простых формул, описывающих поведение модели, а стало быть, и объекта, который описывается моделью, то единственный путь – свести дело к вычислениям, применению численных методов для решения задач.
Одной из наиболее актуальных в настоящее время областей для применения является применение моделирования к молекулярным биологическим процессам и системам. Отличием биологических (клетки) и биомолекулярных (протеины, ДНК, и т.д.) объектов является их чрезвычайная сложность. В то же время, без детальной информации об этих объектах и клеточных процессах невозможна разработка лекарственных препаратов и эффективного лечения таких заболеваний, как различные типы рака, вирусные инфекции, возрастные заболевания (болезнь Альцгеймера, остеопороз).
Настоящая работа посвящена построению и анализу моделей полимеризации актина – важного клеточного процесса, обуславливающего динамику клеток. Изучение данного явления кроме научно-исследовательского имеет и прикладное значение. Некоторые патогенные бактерии используют полимеризацию актина для движения внутри инфицированной клетки [1]. Образование и динамика раковых клеток и метастаз в значительной степени зависят от полимеризации актина. Поэтому управление и контроль над данным процессом может позволить снизить активность патогенов и повысить стабильность здоровых клеток.
Несмотря на большое число теоретических работ посвященных этой тематике, формализм моделирования процессов актин-полимеризации не до конца разработан. Таким образом, актуальной является разработка формализма в рамках парарадигмы имитационного моделирования. Хотя подобные работы проводились ранее [2], [3], по-прежнему ощущается недостаток систематического рассмотрения вопроса моделирования актин-полимеризации. Модель Альбертса и Одела разрабатывалась в основном для анализа механических особенностей роста актин-филамент и уделяет очень мало внимания моделированию биохимических реакций. Модель представленная Карлссоном [4] использует крайне неэффективный алгоритм моделирования, и может быть значительно ускорена при использовании алгоритмов моделирования Гиллеспи.
Одним из важнейших вопросов, связанных с данной темой, является построение методики анализа экспериментальных данных с использованием имитационных моделей. Такой подход для обработки результатов биофизических экспериментов уже не нов и использовался при изучении сложных процессов и систем. Он ранее описан в работах групп Схафсмы и Хэмминги [5-7] для задач анализа данных флуоресценции.
Целью данной работы является разработка, реализация и тестирование алгоритмов имитационного моделирования полимеризации актина, позволяющих исследовать влияние различных реагентов и реакций на динамику роста филамент.
В рамках работы были изучены различные процессы, участвующие в полимеризации актина, включая: образование филамент, их элонгацию и диссоциацию мономеров актина на концах филамент, блокировку, фрагментацию, гидролиз , реакции с участием формина. Все разработанные алгоритмы и процессы были реализованы в виде програмного продукта, написанного на языке Java. При выборе языка программирования были учтены несколько очевидных преимуществ, обеспечиваемых Java: независимость от архитектуры компьютера, переносимость, а главное, кроссплатформенность, что позволяет использовать созданную программу на различных компьютерах.
Во второй главе описываются биофизические аспекты процессов актин-полимеризации. Детально рассмотрены основные реагенты и взаимосвязи между ними. Вторая глава работы также описывает методику моделирования химических реакций. Анализируются достоинства и недостатки различных методов моделирования с точки зрения их точности, быстроты вычислений, времени необходимого на разработку конечного алгоритма, применимости для особых случаев.
В третьей главе рассказывается о разработанной модели и ее реализации, обсуждаются сделанные допущения.
Заключительная глава посвящена тестированию алгоритмов и анализу результатов моделирования. Влияние всех учтенных в модели контролирующих механизмов изучено, полученные результаты обоснованы. Также, было проанализировано быстродействие разработанных имитационных алгоритмов. Результаты, полученные с помощью разработанной имитационной модели, были сравнены с аналитическим решением, а также, с экспериментальными данными.