Основные аспекты применения информационно математических механизмов Алана Тьюринга в молекулярной биологии

Содержание

Слайд 2

5. Имитация

Теория морфогенеза Алана Тьюринга находит подтверждение во многих работах современных

5. Имитация Теория морфогенеза Алана Тьюринга находит подтверждение во многих работах современных
ученых. Как в скором будущем можно использовать теорию Тьюринга для исправления врожденных аномалий развития (например, фокомелии)? Четко опишите главные принципы предложенного Вами метода. Какие условия необходимы, чтобы Ваша идея могла быть реализована на практике?

Слайд 3

Цель

Разработать основные аспекты применения информационно - математических механизмов Алана Тьюринга в молекулярной

Цель Разработать основные аспекты применения информационно - математических механизмов Алана Тьюринга в
биологии и внутриутробной коррекции анатомических дефектов

Слайд 4

Основные определения

Морфогенез – формообразование, возникновение новых форм и структур как в онтогенезе,

Основные определения Морфогенез – формообразование, возникновение новых форм и структур как в
так и в филогенезе организмов. животные растения
Биологический паттерн – особенность анатомической структуры или морфологии ткани, органа или организма*

Биологический энциклопедический словарь

Слайд 5

С чего все началось?

Алан Тьюринг, один из величайших математиков (родился в 1912

С чего все началось? Алан Тьюринг, один из величайших математиков (родился в
году, в Лондоне), открыл множество фундаментальных понятий, лежащих в основе современных компьютеров. С точки зрения Тьюринга, окружающий мир состоит из кодов, которые можно разгадать и в результате своих трудов, был вознагражден: он открыл уравнения, которые описывали живые процессы

Слайд 6

Первая гипотеза о теории Хаоса

Тьюринг использовал математические уравнения для описания живого процесса.
Первая

Первая гипотеза о теории Хаоса Тьюринг использовал математические уравнения для описания живого
гипотеза о теории Хаоса
Теория хаоса утверждает, что система, которая полностью описана математическими уравнениями, более чем способна быть непредсказуемой без какого бы то ни было внешнего воздействия*
Т.В. Панченко «Генетические алгоритмы»

Слайд 7

Теорию Хаоса подтвердили:

Борис Белоусов (в процессе своих исследований, обнаружил кое-что очень странное. Как-то

Теорию Хаоса подтвердили: Борис Белоусов (в процессе своих исследований, обнаружил кое-что очень
у него на столе реактивы стали вести себя необычно: они меняли цвет и спонтанно снова становились прозрачными. Они переходили туда и обратно от цветного к прозрачному, как будто ими управлял некий скрытый химический метроном. )
Лоренц Эдвард (он пытался найти математические уравнения, которые могли бы помочь в прогнозировании погоды. Когда Лоренц записал свои уравнения, описывающие движение воздушных потоков, они не дали предполагаемого результата)

Слайд 8

Гипотеза Мандельброта

 одна и та же форма повторяется во всё меньших и меньших масштабах
 ветви деревьев. Они

Гипотеза Мандельброта одна и та же форма повторяется во всё меньших и
разветвляются, повторяя этот простой процесс во всё более и более меньших масштабах
Тот же принцип ветвления применим к строению лёгких и способу

Слайд 9

Математический принцип самоподобия Тьюринга-

одна и та же форма повторяется во всё меньших и меньших масштабах. 

Математический принцип самоподобия Тьюринга- одна и та же форма повторяется во всё меньших и меньших масштабах.

Слайд 10

Информацонно-биологическая концепция морфогенеза

• Морфоген
• Распределение сигнала
• Реакция
• Начальные данные

Информацонно-биологическая концепция морфогенеза • Морфоген • Распределение сигнала • Реакция • Начальные

Морфоген - Вещества, оказывающие влияние на морфогенез, называют морфогенами. Морфогены — функциональное, а не химическое понятие.

паттерн

Слайд 11

Морфоген

Условно понятие морфоген можно разделить на:

АКТИВАТОР
стимулирует образование второго вещества и себя по

Морфоген Условно понятие морфоген можно разделить на: АКТИВАТОР стимулирует образование второго вещества
принципу + обратной связи

ИНГИБИТОР
подавляет активность активатора

Слайд 12

Баланс самоорганизации

Устойчивый паттерн --? спонтанное изменение---?новый паттерн
Повторение одних и тех же элементов

Баланс самоорганизации Устойчивый паттерн --? спонтанное изменение---?новый паттерн Повторение одних и тех
с некоторыми вариациями у разных видов организмов – рисунки на ракушках, пятна на шкуре гепарда, полосы на зебре

Слайд 13

Можно предположить, что в молекулярной биологии роль активаторов и ингибиторов играют гены.
То

Можно предположить, что в молекулярной биологии роль активаторов и ингибиторов играют гены.
есть за развитие признака отвечает баланс взаимодействия влияния генов (модель реакция-диффузия)

Слайд 14

Экспериментальное изучение

Эта гипотеза была проверена учеными из Канады* с помощью генно-инженерного эксперимента

Экспериментальное изучение Эта гипотеза была проверена учеными из Канады* с помощью генно-инженерного
на мышах.
Это навело некоторых эмбриологов на мысль, что формирование пальцев, возможно, основано не на «позиционной информации», задаваемой градиентом концентрации того или иного морфогена (как думали раньше), а на совсем другом принципе. Например, на тьюринговском реакционно-диффузионном механизме.
Было предроложено, что ген Shh/Gli3 отвечает за развитие пальцев. Но при отключении этого гена пальцы на кисти все равно развивались
Была изучена группа Hox-генов, малоизвестных в генетических экспериментах

 Shigeru Kondo, Takashi Miura. Reaction-Diffusion Model as a Framework for
Understanding Biological Pattern Formation // Science. 2010.

Слайд 15

Последовательно отключая эти гены была выведена закономерность изменения пальцев кисти у мыши.

Последовательно отключая эти гены была выведена закономерность изменения пальцев кисти у мыши.

Gli3 отключен
Hox полный набор ? развитие 7 пальцев
Gli3 отключен
Отключены гены Hox – «стремление пальцев к бесконечности» ? ПОДОБИЕ РЫБЬЕГО ПЛАВНИКА (Новый паттерн)

Слайд 16

Таким образом:

ПАТТЕРН 1

СЛУЧАЙНОЕ МИНИМАЛЬНОЕ ИЗМЕНЕНИЕ

ПАТТЕРН 2

Таким образом: ПАТТЕРН 1 СЛУЧАЙНОЕ МИНИМАЛЬНОЕ ИЗМЕНЕНИЕ ПАТТЕРН 2

Слайд 17

Практическое применение

Фокомелия (тюленеобразные конечности) — отсутствие проксимальных и (или) средних частей конечности

Практическое применение Фокомелия (тюленеобразные конечности) — отсутствие проксимальных и (или) средних частей
и соответствующих суставов (плечевого, тазобедренного). 
Талидомидная катастрофа.

Слайд 18

Применение в медицине

Ген, отвечающий за нормальную длину трубчатой кости при развитии конечности

Применение в медицине Ген, отвечающий за нормальную длину трубчатой кости при развитии
CiF8*
В литературе не было обнаружено данных по изучению влияния на этот ген, поэтому генетические причины фокомелий остаются неизвестными.

 *Rushikesh Sheth, Luciano Marcon, M. Félix Bastida, Marisa Junco, Laura Quintana, Randall Dahn, Marie Kmita, James Sharpe, Maria A. Ros. HoxGenes Regulate Digit Patterning by Controlling the Wavelength of a Turing-Type Mechanism // Science. 2012

Слайд 19

Модель эксперимента

Проведение генно-инженерного эксперимента на животных в 3 этапа:
Отключение гена CiF8 по

Модель эксперимента Проведение генно-инженерного эксперимента на животных в 3 этапа: Отключение гена
молекулярной технологии (разрушение ДНК при помощи фермента с нуклеазой) с дальнейшим наблюдением развития конечности
Поиск генов «активатор – ингибитор» для определения «узора паттерна», то есть изменение в паттерне 1 (нормальная конечность) в паттерн 2 («ласты тюленя»)
Отключение генов, возвращение баланса в систему

Слайд 20

Применение в медицине

При успешном обнаружении этих 2групп генов (активатор – ингибитор) и

Применение в медицине При успешном обнаружении этих 2групп генов (активатор – ингибитор)
построении этой модели реакция – диффузия станет возможно:
- Выключать ген активатор или ингибитор при нарушенном балансе «узора паттерна» (как следствие – предупреждения развития анатомической аномалии)

Слайд 21

Что для этого необходимо:

Что для этого необходимо:

Слайд 22

«Может ли взмах крыльев бабочки в Бразилии вызвать торнадо в Техасе?»
Эдвард Лоренц

«эффект бабочки» вызывает

«Может ли взмах крыльев бабочки в Бразилии вызвать торнадо в Техасе?» Эдвард
и аллюзию к рассказу 1952 года Р. Брэдбери «И грянул гром», где гибель бабочки в далёком прошлом изменяет мир очень далекого будущего
Имя файла: Основные-аспекты-применения-информационно-математических-механизмов-Алана-Тьюринга-в-молекулярной-биологии.pptx
Количество просмотров: 18
Количество скачиваний: 0