КОМП`ЮТЕРНЕ МОДЕЛЮВАННЯ ПОБУДОВИ СКЛАДНИХ БІОСИСТЕМ КОМП`ЮТЕРНЕ МОДЕЛЮВАННЯ Комп’ютерне моделювання — метод розв’язування задачі аналізу або синтезу складної системи, що ґрунтується на використанні її комп’ютерної моделі. Його сутність полягає у відшуканні кількісних і якісних результатів із залученням наявної моделі. Якісні висновки, зроблені на підставі такого дослідження, дають змогу розкривати невідомі досі властивості складної системи: її структуру, динаміку розвитку, стійкість, цілісність тощо. Кількісні висновки мають переважно характер прогнозу майбутніх чи пояснення минулих значень змінних, що характеризують систему. Моделювання біологічних систем є важливим завданням системної та математичної біології . Обчислювальні системи біології націлені на розвиток та використання ефективних алгоритмів, структурних даних, візуалізації та засобів комунікації з метою комп'ютерного моделювання біологічних систем. Це передбачає використання комп'ютерного симулювання біологічних систем, включаючи як клітинні підсистеми (наприклад, мережі метаболітів і ферментів, які містять обмін речовин, сигнальні шляхи і генні регуляторні мережі), так і аналіз та візуалізацію складних з'єднань цих клітинних процесів. Штучне життя або віртуальна еволюція намагається зрозуміти еволюційні процеси за допомогою комп'ютерного моделювання простих форм життя. Стандарти До цих пір найбільш загально прийнятим форматом для зберігання та обміну моделями в даній галузі є Системна Біологічна Мова Розмітки (SBML). Веб-сайт SBML.org містить путівник до багатьох важливих програмних пакетів, що використовуються в обчислювальних системах біології. Інші мови розмітки з різними акцентами включають BioPAX і CellML. Щодо програм, то їх є безліч. Кожна з них має певне завдання, мету та ціль; а так же кожна з них використовує різні методи побудови, оцінки та аналізу. Програми для моделювання біосистем PyMOL PyMOL - система візуалізації молекул. Дозволяє створювати високоякісні тривимірні зображення як малих молекул, так і біологічних макромолекул, в першу чергу білків. Приблизно чверть всіх публікованих в науковій літературі зображень структур білків зроблена за допомогою PyMOL. PyMOL - одна з небагатьох систем молекулярної візуалізації з відкритим вихідним кодом, придатна для використання в структурної біології. Моделювання білка Моделювання вірусу Sirius Sirius - це основа візуалізації на основі компонентів, розроблена для застосування в молекулярному моделюванні, виявленні лікарських засобів, аналізі структури білка, а також для видобутку баз даних та роботи на основі послідовностей. Він однаково підходить для побудови та візуалізації білка та малих молекул. RasMol RasMol - комп'ютерна програма, призначена для візуалізації молекул і використовувана переважно для вивчення і отримання зображень просторових структур біологічних макромолекул, в першу чергу білків і нуклеїнових кислот. Перша версія програми RasMol була створена Роджером Сейл на початку 90-х років. Відображення в RasMol тримера білка Jmol Jmol - програма для перегляду структури молекул в трьох вимірах. Jmol використовується як для навчальних цілей, так і при проведенні наукових досліджень в галузі молекулярної біології, хімії та біохімії. Програма є вільною і відкритою. Програма дозволяє будувати зображення молекул декількома способами. Jmol підтримує велику кількість форматів файлів, включаючи: Protein Data Bank (pdb) Crystallographic Information File (cif) MDL Molfile (mol) Chemical Markup Language (CML) Chemical File Format (XFF) Кристалічна структура H/ACA коробки RNP з архебактерии Pyrococcus furiosus. Підсвічування двох сольових містків в тетрамері гемоглобіну StarBiochem StarBiochem - це тривимірна програма перегляду білків, яка дозволяє студентам інтерактивно вивчати ключові поняття про біологію білків. На відміну від традиційних 3-D переглядачів білків, яким може знадобитися встановлення та значний технічний досвід, StarBiochem - це інтуїтивно зрозумілий 3-D переглядач білків, розроблений з урахуванням студентів. Користувацький інтерфейс StarBiochem був розроблений для візуального представлення структурної інформації про білок на основі чотирьох різних рівнів структури білка, що відображає, як учні знайомляться з цією темою на уроці та в підручниках. Схема забарвлення атомів за замовчуванням виглядає наступним чином: Атоми вуглецю (С) являють собою сірі сфери Атоми кисню (О) - червоні сфери Атоми азоту (N) являють собою сині сфери Атоми сірки (S) являють собою жовті сфери Відображення вторинних та третинних структур Відображення нуклеїнових кислот Ксенобіологія Нова форма життя як основний інструмент біобезпеки Синтетичні біологи намагаються сконструювати корисні біологічні системи, яких не існує в природі. Одна з цілей -створити ортогональну хромосому, відмінну від ДНК і РНК, звану КсНК(XNA) для ксенонуклеиновых кислот. КсНК виявляє безліч структурних хімічних змін у порівнянні зі своїми природними аналогами. Ці зміни роблять новий біополімер, який зберігає інформацію, 'невидимим' для природних біологічних систем. Відсутність пізнання природного світу, проте, розглядається як можливість реалізації генетичного брандмауера, що перешкоджає обміну генетичною інформацією з природним світом, що означає це може бути найкращий інструмент біобезпеки. Тут я обговорюю, чому необхідно продовжувати розробку ксенобіологічних систем, таких як КсНК і її зв'язуючі білки; як повинні виглядати специфікації біобезпеки для цього генетичного анклаву; які кроки слід зробити для завантаження першої форми життя КсНК; і що це означає для суспільства в цілому. Різниця між ксено- , екзо-, і астро«Астро» означає «зірка», а «екзо» означає «зовні». І екзо-, і астробіологія займаються пошуком життя, яке природно еволюціонувало у Всесвіті, в основному на інших планетах «Голдилок» зон (навколозіркових придатних для існування зон). В той час як астробіологи займаються виявленням і аналізом (гіпотетично) існуючого життя у Всесвіті, ксенобіологія докладає зусиль до розробки форм життя з іншою біохімією чи іншим генетичним кодом на планеті Земля. Загальний інтерес до ксенобиологхї-це те, що об'єднує спільноту "Походження життя", астробіологов, системних хіміків і синтетичних біологів. Систе мна химия Походження життя Ксено біологія Сист емна біоло гія Екзо біологія Цілі ксенобіології • Потенціал ксенобіології полягає у можливості виявити фундаментальні знання про біологію і походження життя. Для того, щоб краще зрозуміти походження життя, необхідно знати, чому життя розвинулось від РНК до системи ДНК-РНК-білок і його універсального генетичного коду. Була це еволюційна «випадковість», чи певні фактори виключили появу інших типів хімічних систем? Тестування альтернативних біохімічних «первинних бульйонів» може допомогти краще зрозуміти принципи, які породили життя в тому вигляді, в якому ми його знаємо зараз. • Ксенобіологія — це підхід до розробки промислової виробничої системи з новими можливостями за допомогою створення посилених біополімерів та протидії патогенам. Генетичний код кодує у всіх організмах 20 канонічних амінокислот, які використовуються для біосинтезу білка. Іноді спеціальні амінокислоти, такі як селеноцистеїн, пірролізин чи селенометионін, можуть бути включені в білки в процесі біосинтезу у деяких організмів. Використання додаткових амінокислот з понад 700 відомих біохімії дає можливість створити змінені білки з більш ефективними каталітичними чи фізичними функціями. Наприклад, метою проекта METACODE, який фінансується ЄС, є включення метатезиса (корисна каталітична функція, до цього часу невідома в живих організмах) в бактеріальні клітини. Інша причина, за якою КБ може поліпшити виробничі процеси, полягає у можливості зниження ризику зараження вірусом чи бактеріофагом у процесі культивації, оскільки КБ клітини будуть більш стійкими до зараження (підход, що називається «семантичне стримування»). Ксенобіологія надає можливість зпроектувати «генетичний брандмауер», нову систему біологічного стримування, яка може допомогти укріпити та диверсифікувати сучасні підходи до біо-стримування. Однією з проблем в традиційній генній інженерії та біотехнології є горизонтальне перенесення генів в навколишнє середовище і можливі ризики для здоров'я людини. Однією з основних ідей у КБ є розробка альтернативних генетичних кодів і біохімічних систем таким чином, що горизонтальне перенесення генів стає неможливим. Окрім того, альтернативні біохімічні системи також дозволяють створювати нових синтетичних ауксотрофів (організми, нездатні синтезувати певні органічні сполуки, необхідні для власного росту). Ціль їх створення полягає в тому, щоб сконструювати ортогональну біологічну систему, несумісну з природними генетичними системами. Ксенонуклеїнові кислоти Спочатку дослідження альтернативних форм ДНК було обумовлено питанням про те, як розвивалося життя на землі і чому РНК та ДНК були відібрані в процесі (хімічної) еволюції на відміну від інших можливих структур нуклеїнових кислот. Систематичні експериментальні дослідження, спрямовані на диверсифікацію хімічної структури нуклеїнових кислот, призвели до створення абсолютно нових інформаційних біополімерів. На даний момент синтезирований ряд КсНК на базі нових хімічних основ чи мотивів ДНК, наприклад: гексозонуклеїнова кислота (ГНК(HNA)), треозонуклеїнова кислота (ТНК(TNA)), глікольнуклеїнова кислота (ГлНК(GNA)). Включення КсНА в плазміди з використанням трьох кодонів ГНК відбулося у 2003 році. Ця КсНК використовується in vivo (E. coli) як матриця для синтезу ДНК. ГлНК на даний момент є занадто чужорідною для природної біологічної системи, щоб бути шаблоном для синтезу ДНК. Розширені основи, які використовують природний каркас ДНК, можуть також бути транслітеровані в природну ДНК, хоча і в більш обмежному ступені. Розширений генетичний алфавіт В той час як різноманітні КсНК мають модифіковані каркаси, інші експерименти націлені на заміну чи розширення генетичного алфавіту ДНК з використанням неприродних пар основ. Наприклад, була розроблена ДНК, яка замість чотирьох стандартних основ А, Т , G і C має шість основ: А, T , G , C, і дві нові: P і Z (де Z означає 6-аміно-5-нітро3 -(l'-Pd-2'-деоксирибофуранозил)-2(1Н)пирідон, а P означає 2-аміно-8-(1-бета-D-2'-деоксирибофуранозил)імідазо[1,2-а]1,3,5-триазин-4(8Н)). Леконт та ін. перевірили стійкість 60 основ-кандидатів (отримавши близько 3600 пар основ) для можливого включення до ДНК. Нові полімерази Ані КсНК, ані неприродні основи не розпізнаються природними полімеразами. Однією з основних проблем є знаходження чи створення нових типів полімераз, які будуть в змозі копіювати ці нові конструкції. В одному випадку було виявлено, що модифікований варіант ВІЛ-зворотньої транскриптази здатен до ПЦРампліфікації олігонуклеотида, який містить пару основ третього типу. Піньєро та ін. (2012) продемонстрували, що метод полімеразної еволюції і дизайна сприяв збереженню і відновленню генетичної інформації (менше ніж 100 пар основ довжиною) від шести альтернативних генетичних полімерів, основаних на простих нуклеїнових кислотах, які не зустрічаються в природі. Через 4 мільярди років в 'Едемському саду‘ проросте нове дерево. Біологічні системи, не засновані на ДНК, стануть більш безпечним місцем для проведення експериментів і їх застосування Головні питання, які виникали у вчених: Біобезпека: яка реальна імовірність того, що життя КсНК зазнає невдачі? Біозахист: чи існує який-небудь спосіб неправильного використання КсНК хтось із злочинними або зловмисними намірами? Як це можна запобігти? Права інтелектуальної власності: буде світ КсНК належати і контролюється кимось, чи він повинен бути у вільному доступі, щоб кожен міг використати це захисний пристрій? Чи будуть деякі КсНК (наприклад, ТНК) запатентовані, а деякі (наприклад, ГНК) вільні? Управління: які нові правила, керівні принципи або міжнародні чи необхідно укладати договори, щоб системи залишалися якомога більш корисними? Наприклад, необхідно забороняти будь-яку діяльність, яка активно намагається підірвати згадані вище специфікації, тобто аналогічно заборони НДДКР, спрямованих на розробку нового наступального біологічної зброї? На відміну від цих цілком відчутних аспектів, ми також можемо зіткнутися з досить невідчутними наслідками. Історія науки показує кілька змін у нашому світогляді, змінюючи наші народні наративи на більш науково натхненні (напів-)раціональні підходи. У цьому контексті наука завдала ряд розчарувань і розчарувань нашим народним віруванням, таким як: земля не є центром Всесвіту, люди і мавпи мають спільних предків, або що емоції і мислення співвідносяться з неврологічним субстратом. Прихильники цих ідей часто піддавалися нападкам тими, хто намагається зберегти інтелектуальний статус-кво. Ксенобиология може легко викликати наступне зміна парадигми в тому, як ми розуміємо природу і життя. Точно так само, як Земля втратила своє місце в якості центру Всесвіту, або людина втратив свій унікальний статус у тваринному світі, наш природний світ може втратити свій унікальний статус як синонім 'життя'. Висновки Створення 'чужий' або 'дивний' життя в лабораторії, іншими словами, успіхи в ксенобіологічних дослідженнях, не тільки сприятимуть кращому розумінню походження життя, але і, безумовно, розширять наші можливості по забезпеченню більш безпечних біотехнологічних засобів виробництва для потреб людини і навколишнього середовища. Майбутні форми життя, які ортогональны природним формам життя, таким як ті, які засновані на XNAs, можуть представляти собою остаточний інструмент біобезпеки. Однак чим більше шарів ортогональності, тим безпечніше. Поєднання ХНК, використання неканонічних пар підстав, неканонічних амінокислот, альтернативне призначення кодонов, навіть чотириплетних кодонів, ксеносом або систем, відмінних від тристоронньої архітектури ДНК-РНК-білків, безумовно призведе до створення ортогональних ксенобіологічних систем, які будуть діяти як генетичні брандмауери для природних форм життя. Ми не повинні боятися незнайомих форм життя, але повинні спробувати раціонально оцінити їх ризики і переваги і прийняти їх відповідальним чином на благо людства. Дякую за увагу!
