Проекты

Исследование методов цифровых отображений био-физико-химических параметров молекулярно-генетического кода

Работа призёра конкурса проектов и исследований «Старт в медицину» открытой городской научно-практической конференции «Старт в медицину» в секции «Биотехнология и биоинженерия в медицине»

Направление работы: Биоинформатика
Авторы работы: ГБОУ Школа № 1298 «Профиль Куркино»
Предметы: Математика, Биология, Химия, Информатика
Классы: 11 класс
Мероприятия: Конкурс проектов и исследований «Старт в медицину» открытой городской научно-практической конференции «Старт в медицину» 2021 года

Актуальность

Генетика не стоит на месте и развивается с каждым днём, однако многие вопросы остаются нерешёнными. Несмотря на то, что генетический код многих живых организмов получен в виде нуклеотидных зависимостей, до сих пор генетики и биоинформатики не понимают функциональные особенности 98% этих последовательностей. Работа направлена на проверку гипотезы о математической зависимости и взаимосвязи между элементами генетического кода.

Цель

Выявление алгебраических, фрактальных и графических зависимостей между элементами генетического кода.

Задачи

1.  Провести сравнительный анализ ДНК и РНК систем.

2. Выявить сходные и отличительные черты на молекулярном, атомарном и субатомном уровне.

3. Сформировать модель прямоугольной решётки.

4. Представить азотистые основания в виде пространственной многопараметрической векторной модели.

5. Провести сравнительный анализ линейного представления генетической последовательности ДНК и РНК систем (64 и более элементов).

6. Выявить зависимости.

Оснащение и оборудование, использованное в работе

• NABIS (New Algorithms of Bio Information Sequencing)

• Программа Microsoft Excel

• Программа MATLAB

Описание

Структура генетического кода имеет чёткие математические закономерности и зависимости, которые можно классифицировать по присущим им объективным показателям и критериям и использовать при кодировании и декодировании как генетической, так и иной информации.

Автор сравнил ДНК и РНК, выявил сходства и отличия. Затем представил азотистые основания (аденин, тимин, гуанин и цитозин) в виде пространственной многопараметрической векторной модели в программе NABIS с помощью цветовой классификации нуклеотидов и построенной матрицы со всеми вариациями соединений (матрица размером 8х8 с элементами типа XYZ, например, ATG нуклеотидов. Все вычисления были произведены в программе MATLAB. На основе идеи матричного представления фенотипических признаков и морфемного анализа трёх азотистых оснований можно построить и классифицировать цветовую матрицу 64 триплетов (кодонов). Процесс классификации генетической цепочки строили следующим образом:

– рассмотрели каждое азотистое основание в генетической цепочке последовательно;

– проверили наличие изменяемого элемента в цепочке ДНК или РНК (замена T на U). Если изменений не происходило, элемент заменяли на 1, в противном случае – на 0;

– в зависимости от количества единиц по итогу анализа трёх азотистых оснований триплету присваивали бинарный (цветовой) код.

Цветовой код определяли по следующему алгоритму:

– определили возможное количество цветовых значений k (палитру) матрицы по формуле: k= 2^N;

– делили видимый цветовой спектр на возможное количество цветовых значений;

– чем стабильнее элемент генетической последовательности, тем ближе он к красному спектру.

Любую генетическую цепочку можно представить как сумму векторов азотистых оснований. Тем самым любую генетическую последовательность можно представить в виде результирующего единичного вектора азотистых оснований данной цепочки.

Затем автор сравнил модели линейного представления генетической последовательности ДНК и РНК систем (куб и сферу). В итоге были выявлены соответствующие фрактальные и корреляционные зависимости. Рассмотрим трёхмерное пространство, где:

X – количество водородных связей,

Y – класс азотистого основания (количество конденсированных колец),

Z – условный заряд молекулы.

Метод классификации генетических последовательностей на основе применения модели «генетический куб». Целью генетического куба является выявление глубоких закономерностей в цепи генетических данных (цепи азотистых оснований). Данный куб позволяет отслеживать переходы от одного азотистого основания к другому и формирует рисунок этого движения. Модель берёт за основу пространственную модель и формирует грани куба как проекции векторов азотистых оснований. По итогам анализа азотистому основанию присваивается уникальная бинарная последовательность.

Результаты

1. Выявлены математические зависимости, сходства и отличительные характеристики между ДНК и РНК системами.

2. Разработана модель для создания и анализа классификационных генетических систем.

3. Разработан подход к оценке классификационных систем по ряду показателей (симметрия, повторяемость).

4. На основе полученных данных смоделирован генетический куб.

Выводы

Генетический код – это не просто сопоставление одного набора элементов с другим набором по типу, например словаря, в котором есть ключ и соответствующее значение. Генетический код является алгебраическим кодом, похожим на те коды, которые используются в помехоустойчивой передаче информации (передача фотографий космических объектов на Землю и др.).

Перспективы использования результатов работы

Полученные результаты работы можно применять для предупреждения и лечения различных генетических заболеваний, управляемого биосинтеза белка.

Сотрудничество с учреждением при создании работы

ООО “Landigrad”

Мнение автора

«Конференция «Старт в медицину» – это отличная возможность воплотить свои идеи в реальность и поделиться ими не только с членами жюри, но и с остальными конкурсантами. Идеи не должны оставаться только на бумаге»