Обчислювальна біологія

Обчислювальна біологія — міждисциплінарна область науки, що використовує досягнення інформатики, обчислювальної техніки, прикладної математики і статистики для вирішення біологічних проблем. Головними областями в біології, які застосовують такі методи, є:

• Біоінформатика — застосовує машинні алгоритми і статистичні методи до наборів біологічних даних, що, як правило, складаються з великого числа нуклеотидних (ДНК і РНК) та пептидних (білки) послідовностей і даних структури білків. Приклади застосувань біоінформатики включають вирівнювання послідовностей, (що використовується для пошуку в базах даних і порівняння гомологічних послідовностей), пошук генів і прогноз експресії генів. Це дуже велика наукова область; інколи термін «обчислювальна біологія» виступає як синонім біоінформатики, що не зовсім вірно.

• Обчислювальна геноміка, підрозділ геноміки, який вивчає геноми клітин і організмів за допомогою високопродуктивного геномного секвенування (що вимагає значної подальшої обробки — так званої збірки геному), і який використовує метод ДНК-мікрочипів для статистичного аналізу виражених в конкретних типах клітин генів.

• Математична біологія (або обчислювальне біомоделювання), підрозділ біокібернетики, що займається побудовою обчислювальних моделей біологічних систем.

• Молекулярне моделювання, область досліджень, яка привертає теоретичні і обчислювальні методи для моделювання або імітації поведінки молекул, причому молекул в найширшому сенсі — що полягають від декількох атомов і до «гігантських» біологічних ланцюжків.

• Системна біологія, що ставить за мету моделювання повномасштабних біологічних сигнальних систем і систем передачі сигналів (для цілої клітини або навіть цілого організму), часто використовуючи методи біомоделювання (математичної біології) та методів аналізу електротехнічних мереж.

• Передбачення структури білків і структурна геноміка — роблять спроби обчислювати точні тривимірні моделі структур білків, які не були отримані експериментальним шляхом.

• Обчислювальні підрозділи біохімії і біофізики, що широко використовують структурне моделювання і імітаційні методи, такі як молекулярна динаміка або методи засновані на методі Монте-Карло, в спробі пролити світло кінетику і термодинаміку роботи білків.

Моделювання

Пакет молекулярної динаміки NAMD^[en] та програмне забезпечення для візуалізації VMD^[en] біофізика Шультен використовують щонайменше 300 000 дослідників у всьому світі.

У 2006 з'явилася модель ікосаедричного вірусу супутника тютюнової мозаїки (STMV). Вперше було створено повну модель, яка вимагала ресурсів Національного центру суперкомп'ютерних додатків в Урбані (розмір: 1 млн атомів, час моделювання: 50 нс, програма: NAMD). Моделювання забезпечило нове уявлення про механізми збірки вірусу. Вся частинка STMV складається з 60 однакових копій одного білка, з яких складається капсиди (оболонки), і 1063 нуклеотидного одноланцюгового РНК генома. Одним із ключових висновків те, що капсид дуже нестабільний, коли всередині немає РНК, тобто вірус, який виглядає симетрично на нерухомих зображеннях, насправді імпульсує та асиметричний. Капсида залежить від генетичного матеріалу в РНК-ядрі частинки і руйнується без нього. Це засвідчило, що перш ніж вірус зможе побудувати свою оболонку при розмноженні, повинен бути присутнім генетичний матеріал.

В 2013 році Шультен змоделював капсид ВІЛ (з 64 мільйонів атомів) за допомогою суперкомп'ютера Blue Waters.

У 2015 з'явилась модель світловідбиваючої клітини хроматофор пурпурової фотосинтезуючі бактерії Purpurbakterie (близько 100 мільйонів атомів) за допомогою суперкомп'ютера Титан в Національній лабораторії Oak Ridge. У моделюванні процесів перетворення сонячного світла в хімічну енергію брали участь 100 мільйонів атомів, 16000 ліпідів і 101 білок, хоча вміст крихітної органели займає лише один відсоток від загального обсягу клітини.

Шультен планував більш масштабні моделювання на суперкомп'ютері SUMMIT.

У жовтні 2017 з'явився фреймворк OpenFermion Cirq , перша платформа з відкритим кодом для перекладу проблем хімії та матеріалознавства в квантові схеми. OpenFermion — це бібліотека для моделювання систем взаємодіючих електронів (ферміонів), що породжують властивості речовини. До OpenFermion розробникам квантових алгоритмів потрібно було вивчити значну кількість хімії та написати велику кількість коду, щоб зламати інші коди, щоб скласти навіть найосновніші квантові симуляції.

Див. також

• Порівняння програмного забезпечення для моделювання молекулярної механіки
• Петафлопсні обчислення
• Моделювання біологічних систем
• Грубозернисте моделювання
• Модель клітини
• Молекулярне моделювання на графічних процесорах
• Візуалізація біологічних даних
• Клаус Шультен
• Крейг Вентер
• Синтетична біологія
• Цифровий організм

Посилання

• ІНФОРМАЦІЙНА БІОЛОГІЯ [Архівовано 14 березня 2016 у Wayback Machine.] //Фармацевтична енциклопедія
• (англ.) PLOS Computational biology [Архівовано 12 червня 2015 у Wayback Machine.] — науковий журнал з обчислювальної біології некомерційної організації PLOS (Public Library of Science). Ліцензія Creative Commons Attribution (CC-BY).