Введение к работе
Актуальность темы. Современная математическая генетика является развитой отраслью генетической науки, имеющей на только теоретический, но и прикладной аспекты. Многие наработки математической генетики используются для анализа молекулярно-генетичоских систем, в генетическом анализе, теории популяций, количественной гонегико и др. (Ратнер, 1993). В то жа ілремя до сих пор не решен ряд существенных вопросов теоретического и методологического характера.
Так, математическая теория генетического хартироеанкя, заложенная работами Н.Бейли (Bailey, 1961), далеко не всегда можот использоваться для моделирования рекомбинации у бактерий. Более поздние по времени модели имеют скорее эскизный характер и не выполняют основного своего предназначения - прогностического.
В литературе отсутствует математическое описание конъюгации бактерий, хотя тщательная экспериментальная проработка ее закономерностей давно имеется (Жзкоб, Вольмзн, 1962; Хэйс, 1965). Между тем сопоставление ряда экспериментальных фактов, касающихся отдельных стадий конъюгации и полученных разными экспериментальными методами, приводит к противоречиям (оценка количества перенесенной донорской ДНК с помощью радиоактивной метки и методами генетического анализа и т.п.). Разрешить их возможно только на пути теоретического анализа и математического моделирования.
Имеются существенные пробелы в разработке методов моделирования генетических и физиологических эффектов физических факторов (электромагнитные излучения, ионизирующая радиация). Существующие модели являются в значительной степени формально-феноменологическими и базируются в первую очередь на принципе попадания (Тимофеев-Ресовский, Иванов, Корогодин, 196S), который вряд ли применим для анализа низкочастотных электромагнитных воздействий.
Классическая генетика, как и теория популяций, опирается в основном на
теорию вероятностей и математическую статистику (Рокицкий. 1978; Тимофеев-
Ресовский, Яблоков, Глотов, 1973). Между тем в рядо случаев возникает сомнение
в самой возможности применения указанной методологии (Алимов,- 197Б;
Андреев, 1S87). Это имеет место, а частности, при анализа эколого-генетичоских
данных, когда приходится сталкиваться с принципиальной
новоспроизводимостью результатов, их резко выраженной нелинейностью и, зачастую, малым объемом выборки. В связи с этим встает проблема поиска адекватного математического аппарата, способного моделировать поведение изучаемых систем при таком характере исходных данных.
Наконец, нельзя забывать о прикладных аспектах всякого моделирования. Для того, чтобы успешно пользоваться моделью, исследователь-биолог должен обладать глубоким знанием математического аппарата, что реализуется достаточно редко. В то же время логика научных исследований в сочетании с широким применением современной вычислительной техники выдвигают на первый план потребность в разработке таких методологических подходов, оборудования и математического обеспечения, которые позволили бы заниматься вопросами моделирования не только профессиональным математикам, но такхсо и
оиологам, нодостаточно владеющим математичэскими методами, о свяои с этим встает задача разработки программного сбоспочения для компьютерного моделирования.
Срязь работы с крупными научными программами, темами. Представленные в работе результаты получены в ходо выполнения плановых научно-исследовательских том, в том число:
Исследование повреж-аний хромосом малыми дозами ионизирующей радиации (1971-1975 гг.), No ГР 71055086;
Изучение трансгеноза в бактерии (1976-1980 гг.). No ГР 75076292;
Создание окспериментальных баз данных и пакета прикладных программ для персональных ЭВМ по гонетико-статистическим методам исследований (1991-1995 гг.) - Программа Приборостроение 2, тома 2.09. No ГР 019100112518 (СССР), 1995148 (РБ);
Разработать и внедрить интегрированную среду информационно-логического подхода (ИЛоП) для моделирования радиоэкологических процоссоа (1994 г.) - Научный раздел Госпрограммы по ЧАЭС, No ГР 19942926.
Моделирование эколого-техногенного влияния на генетическую компоненту биологического разнообразия (1996-2000 гг.) - Программа Биологическое разнообразие, тема 33.
Цель и задачи исследования. Целью исследования была разработка принципов и методов аналитического моделирозания и численною эксперимента генетических процессов у организмов различных таксономических групп (мичроорганизмы, растения, животные).
Исходя из сформулированной цели, были поставлены следующие задачи:
-
Проанализировать основные принципы и методы моделирования биологических процессов и выбрать среди них наиболее информативные и адекватные современным потребностям генетики.
-
Разработать математический аппарат для описания и анализа закономерностей конъюгации бактерий и ее модификации под действиом ионизирующей радиации и химических факторов.
-
Создать модели, описывающие действие электромагнитных излучений и других ф(-.;і;ческих фахторов.
-
Разработать принципы компьютерного моделирования, позволяющие заниматься построением математических моделей на персональных ЭВМ биологам-исследователям. Подготовить соответствующее программное обеспечение.
Научная новизна. Впервые получены следующи результаты, новизна которых подтверждается соответствующими публикациями:
Разработаны подходы к моделированию последовательных стадий полового процесса у микроорганизмов и сформулирована математическая модель, описывающая основные этапы конъюгации и позволяющая ставить машинный эксперимент по переносу донорской ДНК.
На основе сопоставления экспериментальных данных с теоретическими расчетами выдвинута гипотеза полного переноса донорской хромосомы в
. реципиентную клетку при конъюгации бактерий, показано значительное влияние систем рестрикции-модификации на величину градиента передачи донорских признаков.
Построена модель, позволяющая учитывать рокомбиногенныо эффекты физических и химических факторов, что важно для определения мутагенной активности физических факторов.
Построена модель, описывающая ' физиологические эффекты низкочастотного электрического поля на насекомых (Drosophila molanogastor) и объясняющая наблюдаемые эпигонотичоскио эффекты стрессом от пребывания в поло. ,
Разработаны кибернетические подходы к моделированию генетических процессов у организмов разного уровня сложности. Впервые для этих целой применены информационно-логические принципы, позволяющие описывать нелинейные процессы в условиях малого количества уникальных экспериментальных данных. На этой основе создано программное обеспечение для ЭВМ.
Создан пакет прикладных программ для персональных ЭВМ, позволяющий проводить генетцко-статистичоский анализ экспериментальных данных в генетике растений и строить простейшие численные модели генетических процессов.
Теоретическое и практическое значение, реализация результатов
исслелопачия. Создана концепция повышения эффективности моделирования
генетических процессов, заключающаяся а том, что одной аналогии а процессе
моделирования недостаточно, необходимо четко ставить себе задачу
инд, гивного построения моделей, а также широко привлекать новые, но еще не
освоенные биологии математические методы. Концепция стала тем
инструментом, с помощью которого получены следующие результаты:
Впервые построена математическая модель, описывающая основные этапь конъюгации. Эвристическая ценность этой модели заключается в том, что она позволяет подойти к анг^изу молекулярных механизмов бактериальной конъюгации.
Разработана стохастическая модель рекомбинации у бактерий Escherichia coli, описывающая ее в терминах теории марковских процессов. Модель позволяет учитывать генетические эффекты ионизирующей радиации и их модификацию химическими веществами.
» Построена новая математическая модель, которая описывает насекомое
как систем- взаимосвязанных конденсаторов, взаимодействующих с
внешним :ктрическим полом. Указанный подход позволил впервые
объяснить ряд физиологических эффектов низкочастотного
электрического поля на насекомых (Drosophila melanogaster) и подойти к пониманию наблюдаемых эпигенетических эффектов.
На основе проведенных исследований создан и запатентован новый способ определения мутагенной активности физических факторов, использующий микроорганизмы в качестве тест-системы (а.с. 70188). Способ внедрен в НИИ медицинской радиологии РАМН.
Создано математическое обеспечение для генетико-статистической обработки данных и компьютерного моделирования генетических процессов, в котором сочетаются стандартные биометрико-статистические методы и методы математико-генетического анализа.
Разработанный пакет прикладных генетико-статистичоских программ в целом и отдельные программы используются в Институте генетики и цитологии
АН Беларуси, Белорусском НИИ плодоводства. Белорусской зональной опытной станции по птицеводству, Гомельском государственном университете, в рпдо других учреждений.
Результаты исследований вошли в монографию "Конъюгация бактерий", включенную в список литературы, ро»омондованной для дополнительной программы кандидатского экзамена по специальности 03.00.15 - гонотика в Институте генетики и цитологии АНБ.
Положения, выносимые на защиту.
-
Основные закономерности образования кроссовых агрегатов, переноса хромосомы и рекомбинации в зиготе можно списать единой математической моделью конъюгации бактерий. Модель даот возможность оценить рокоыбиногенную активность ионизирующей радиации.
-
При конъюгации бактерий имоот место полный перенос донорской хромосомы в роципионтную клетку. Воличина градиента передачи донорских признаков определяется системами рестрикции-модификации I типа.
-
Эффекты низкочастотного электрического поля на насекомых объленлются концентрацией на хитиновом экзосколоте электрического заряда, модифицир''ющого поведение отдельной особи и их группы. Модель пригодна ді./і изучения роли стросса в эпигенетических процессах.
-
Создан оригинальный пакет прикладных гонотико-статистических программ для обработки на персональных ЭВМ данных по генетике сельскохозяйственных растений.
-
Применение методов теории информации и математической логики позволяет моделировать нелинейные генетические и эколого-генотическиэ процессы при наличии ограниченного числа данных.
Личный вклад соискателя. Лично соискателем созданы все математические модели и проведены численные эксперименты по определению параметров моделей.
Совместно с д.б.н. НАТроицким им сформулирована гипотеза полного переноса донорской хромосомы при конъюгации бактерий. Лично С ЕДромашко обоснована возможная роль систем рострикцш- модификации в образовании градиента рекомбинантов.
Под научным руководством соискателя создан пакет прикладных гонотико-статистических программ и система ввода и хранения экспериментальных данных. Им лично написан ряд программ.
С.ЕДромашко обоснована возможность применения информационно-логического ;, іпияа в генетических исследованиях, проведена адаптация метода для пост-чернобыльских условий.
В выполнении исследований принимали участие под руководством автора мл. научн. сотр. Я.С.Больская и В.С.Василевский, инженер 1 категории Г.ИФренколь, инженеры 2 категории Б.ОДубовской и О.М.Пяткоаскал, инженер Е.М.Кловчоня. Всем им автор выражает искреннюю признательность и благодарность.
Апробация. Основные положения работы в 1975-1996 гг. заслушивались и обсуждались на ряде международных, всесоюзных и республиканских конференций и совещаний, в том числе:
1. Конференция "Пути повышения продуктивности животных и растений"
(Рига, 1975).
-
Всесоюзная конференция "Использование нейтронов в медицине" (Обнинск, 1976).
-
Ill-VI съезды БолОГиС (Горки, 1976; Минск, 1981; Горки, 1986,1992).
-
Ill и VI съезды ВОГиС (Москва, 1977; Минск, 1992).
-
XiV Международный генетический конгресс (Москва, 1978).
-
ІІ-я радиобиологическая конференция социалистических стран (Варна, Болгария, 1978).
-
IV и V Всесоюзные симпозиумы "Молекулярные моханиэмы генетических іроцессов" (Москва, 1979, 1903).
-
Конференция "Чувствительность организмов к мутагенным факторам и юзникновение мутаций" (Вильнюс, 1980).
-
Всесоюзная конференция "Моханиэмы радиационного поражения и юсстановленил нуклоиновых кислот" (Пущино-на-Оке, 1980).
-
I Всесоюзный биофизический съезд (Москва, 1982).
-
Всесоюзная школа молодых ученых "Вычислительные методы и іатематичоооо моделирование" (Минск, 1984).
-
Всесоюзный симпозиум по ориентации членистоногих и клещей (Томск, 988).
-
I Всесоюзная конференция с международным участием "Механизм ействия магнитных и электромагнитных полой на биологические систомы азличных уровней организации" (Ростов-на-Дону, 1989).
14. Международная научно-практичоскъл конференция "Проблемы
охранения биологического разнообразия Беларуси" (Минск, 1993).
-
I съозд Вавиловского общества гонотикоь и селекционеров (Саратов, Э94)
-
JV Международная конференция "Чернобыльская катастрофа: прогноз, юфилактика, лечение и медиколсихологическая реабилитация пострадавших" Чинок. 1995).
-
Международное рабочее совощание ЧЭИС "Экологический статус грязненных радионухлидами территорий л результате Чернобыльской таетрофы" (Минск, 1995).
-
Республиканская конференция "Современные проблемы генетики и лекции" (Минск, 1995).
-
2-й съезд Белорусского общества фотобиоло;ов и биофизиков (Минск, 96).
20. VII Белорусская математическая конференция (Минск, 1S26).
Публикация материалов. Основные положения диссертации изложены в
публикациях, в т.ч. 1 монографии, 3 книгах и брошюрах, 1 изобретении, 33 гтьях и 32 тезисах докладов
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, общей іактеристики работы, 7 глав, заключения и аыводоо, изложена на 246 іаницах машинописи, включал 25 таблиц, 53 рисунка. Список испопьзоаанноЛ
ературы состоит из 415 наименований, а том число 218 на иностранных <ках.