Обчислювальна біологія

Матеріал з Вікіпедії — вільної енциклопедії.
Перейти до навігації Перейти до пошуку

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:

  • 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.

Моделювання[ред. | ред. код]

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[1] (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 пурпурної фотосинтезуючі бактерії Purpurbakterie (близько 100 мільйонів атомів)[2] 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 [en], 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[3] [4]. 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[ред. | ред. код]

Посилання[ред. | ред. код]

  1. Molecular Dynamics of Viruses. www.ks.uiuc.edu. Процитовано 2021-05-01. 
  2. Koepke, Juergen; Hu, Xiche; Muenke, Cornelia; Schulten, Klaus; Michel, Hartmut (1996-05-01). The crystal structure of the light-harvesting complex II (B800–850) from Rhodospirillum molischianum. Structure (English) 4 (5). с. 581–597. ISSN 0969-2126. PMID 8736556. doi:10.1016/S0969-2126(96)00063-9. Процитовано 2021-05-01. 
  3. https://ai.googleblog.com/2017/10/announcing-openfermion-open-source.html
  4. https://www.fightaging.org/archives/2017/12/the-sens-research-foundation-comments-on-calicos-research-into-apparent-rejuvenation-in-oocytes