Новосибирск
Novosibirsk
Новосибирск
Novosibirsk
Новосибирск
Novosibirsk
Представлен обзор подходов реконструкции фреймовых математических моделей молекулярно генетических систем от уровня генетического синтеза до метаболических сетей. Фреймовые математические модели – это модели, в которых заданы: формальная структура, математический формализм под конкретный биохимический процесс, реагенты этого процесса и их роль в нем. Обычно такие модели созданы в автома тическом режиме на базе описания биологического процесса в терминах языков предметной области. Для молекулярно-генетических систем такие языки используют конструкции, привычные для широкого круга исследователей-биологов, например список биохимических реакций. Они основываются на концепции эле ментарных подсистем, где комплексная модель собрана из небольших блоков – «фреймов». В настоящей ра боте мы показали пример с генерацией классической модели репрессилятора, состоящей из трех генов, про дукты синтеза которых последовательно ингибируют биосинтез друг друга. Для этого примера мы привели три версии графической нотации описания структуры модели, их типичную математическую интерпретацию и варианты вычислительных экспериментов. Показали, что даже на уровне фреймовых моделей возможно идентифицировать качественно новое поведение благодаря добавлению в структуру модели всего одного гена. Такая модификация предоставляет пути контроля режимами функционирования модели через измене ние концентраций ее реагентов. Подход, основанный на фреймах, открывает пути генерации моделей кле ток, тканей, органов, организмов и сообществ с помощью программных инструментов, которые формализуют структуру модели и роль ее реагентов, используя как предметно-ориентированные языки, так и графические методы спецификации моделей.
This paper reviews existing approaches for reconstructing frame-based mathematical models of molecular genetic systems from the level of genetic synthesis to models of metabolic networks. A frame-based mathematical model is a model in which the following terms are specified: formal structure, type of mathematical model for a particular biochemical process, reactants and their roles. Typically, such models are generated automatically on the basis of description of biological processes in terms of domain-specific languages. For molecular genetic systems, these languages use constructions familiar to a wide range of biologists in the form of a list of biochemical reactions. They rely on the concepts of elementary subsystems, where complex models are assembled from small block units (“frames”). In this paper, we have shown an example with the generation of a classical repressilator model consisting of three genes that mutually inhibit each other’s synthesis. We have given it in three different versions of the graphic standard, its characteristic mathematical interpretation and variants of its numerical calculation. We have shown that even at the level of frame models it is possible to identify qualitatively new behaviour of the model through the introduction of just one gene into the model structure. This change provides a way to control the modes of behaviour of the model through changing the concentrations of reactants. The frame-based approach opens the way to generate models of cells, tissues, organs, organisms and communities through frame-based model generation tools that specify structure, roles of modelled reactants using domain-specific languages and graphical methods of model specification.
The authors declare that there are no conflicts of interest present.