Обзор литературы

Учебные материалы по биологии / Моделирование биохимических и генетических процессов в клетке / Обзор литературы

Страница 3

Графический интерфейс модели E-CELL обеспечивает возможность наблюдения пользователя за процессом вычислений на протяжении всего времени симуляции. Самым важным является интерфейс отладочной программы, который позволяет пользователю выбирать интересующие его вещества и типы реакций, а также наблюдать за их количественными изменениями. Данный интерфейс представляется в виде окна, показывающего двумерный график, изменяющийся соответственно количественному изменению веществ или реакций в моделируемой системе.

Обобщенным уравнением кинетики реакций, используемой в модели E-CELL, является уравнение:

,

где - концентрация n-того вещества, - стехиометрический коэффициент n-того вещества, скорость каждой реакции выражается как функция, зависящая от двух параметров - и .

Неферментативные реакции определяются как реакции первого порядка. Их скорости непосредственно зависят от концентрации веществ и выражаются уравнением:

,

где k - константа скорости.

Ферментативные реакции выражаются с помощью уравнения Михаэлиса-Ментен:

,

где - концентрация вещества, - максимальная скорость реакции, - константа Михаэлиса.

Помимо всех вышеперечисленных функций модели, она обеспечивает возможность проведения виртуальных экспериментов. Например, пользователь может «задержать» клетку в состоянии полного отсутствия в ней глюкозы. Таким образом, можно наблюдать гибель клетки из-за утечки АТФ. Также процесс гибели клетки можно наблюдать посредством удаления одного из значимых генов, например, синтеза белков[5].

Конечно, нельзя не отметить самый главный пример математической модели, позволяющей исследовать основные параметры любой клетки - кинетику, метаболизм и генетический материал, - Karyote - модель для моделирования физико-химической геномной и метаболической систем клетки.

Платформа для моделирования Karyote объединяет в себе три основных элемента (модуля):

) Модуль для построения модели и сохранения расчетных данных, позволяющий определить тип моделируемой клетки с помощью параметров сети реакций, структуры и транспортных процессов, заданных пользователем, а также выбрать окружающую среду и другие параметры моделируемых явлений;

2) Симулятор геномных и метаболических процессов осуществляет решение уравнений, описывающих метаболические реакции, полимеризации транскрипции/трансляции и обмен молекулами частей клетки между собой и с окружающей средой;

) Информационный теоретический модуль (ITM), автоматизирующий калибровку и разработку образца, объединяет множество типов данных с вычислениями клеточной динамики.

В Karyote может быть реализована различная скорость реакций - быстрая (процесс уравновешивания исследуемой системы) и медленная (приближение к равновесному состоянию), а также могут быть добавлены специальные эффекты работы ферментов и их минорных разновидностей, ускоряющих процесс установления равновесия системы. Данная модель предусматривает неподвижность окружающей клетку среды.

Пользовательский интерфейс позволяет автоматизировать генерацию и решение уравнений в соответствии с многократной временной шкалой с целью разобщения динамик различных процессов в клетке для их более подробного наблюдения [6].

Модель Karyote дает доступ к обширному набору процессов и включает в себя множество особенностей:

· Общий конечный уровень состояния системы и быстро уравновешиваемые реакции;

· Минорные разновидности (например, ферменты) со связанными равновесными циклами любой сложности;