Представленный ранее пример ГС развития цветка ограничен качественным, логическим анализом. Современный уровень изучения формирования признаков требует также моделей количественной динамики переменных – характеристик ГС. Обобщенно, концентрации продуктов и регуляторов ГС выступают в качестве таких переменных. При моделировании ГС требуется установить качественную и количественную динамику этих процессов во времени и пространстве – в отдельных клетках, участках (блоках, компартментах).
Исследование ГС преследует следующие цели:
- выяснение механизмов работы биологических систем на разных уровнях, начиная с клеточного;
- проверка методов воздействия на биосистему с использованием моделей ГС;
- конструирование искусственных ГС, в частности, с использованием трансгенных технологий;
- изучение влияния различных факторов эволюции на ГС.
Моделирование ГС удешевляет и ускоряет достижение названных целей.
В связи с этим возникают три основных задачи:
- создание компьютерных систем, обеспечивающих удобное для анализа ведение информации о ГС вместе с методами визуализации ее структуры;
- построение адекватных моделей ГС;
- анализ этих моделей (т.е. структуры и динамики важнейших переменных).
Выделяют также прямую и обратную (более сложную) задачи, связанные с моделированием ГС:
- прямая задача: дана структура ГС - предсказать динамику ее переменных во времени;
- обратная задача: из экспериментов известна динамика переменных ГС – построить модель ГС.
Применяются не только математические, компьютерные, но и аналоговые (биологические) модели ГС. Например, выявлена высокая степень консервативности некоторых ГС, выполняющих общие функции у млекопитающих: в процессе эволюции сохраняются не только удачные гены, но и структуры их ГС Поэтому в качестве модели таких ГС человека иногда используют аналогичные сети мыши.
В качестве примеров можно указать некоторые области применения моделей ГС в медицине и ветеринарии.
1. Изучение патологических процессов, протекающих на клеточном и организменном уровне (это могут быть различные мутации, врожденные либо приобретенные заболевания, синдромы и т.д.). Так, например, математическая модель системы регуляции внутриклеточного гомеостаза холестерина может быть потенциально применена для изучения таких заболеваний как атеросклероз, гиперхолестеринемия и т.д. Модель ГС регуляции дифференцировки эритроидной клетки пригодна для изучения различных видов анемий и гипоксий.
2. Идентификации генетических и биохимических дефектов и анализ их воздействий на функцию ГС.
3. Развитие оптимальных методов воздействия на исследуемые биологические системы для нормализации их функции, например, при разработке новых терапевтических, либо фармакологических средств.
Следует учесть, что фармакологическое воздействие, обеспечивающее нормализацию функции ГС по ее критической переменной, может вызывать существенные отклонения от нормы по другим переменным, то есть обладать нежелательными побочными эффектами. Коррекцию нарушения функционирования ГС следует признать допустимой, если в результате не только восстановится основная функция ГС, но и побочные эффекты окажутся минимальными. Следовательно, задача фармакологической коррекции функционирования ГС является многокритериальной задачей оптимального управления.
Часто ГС должна оставаться в равновесии по приемлемым значениям нескольких переменных – в стационарном состоянии. В этом случае необходимо с помощью модели выяснить существует ли вообще в «мутантной» системе (патологическом варианте ГС) стационарное состояние, соответствующее норме, или близкое к ней. Затем найти допустимое управление (фармакологическое воздействие), переводящее основные переменные поврежденной ГС в это состояние.
В прикладном смысле необходимо с помощью моделей ГС научиться определять, какие воздействия (генно-инженерные, физиологические и пр.) и их комбинации приведут к желаемому признаку – фенотипу.
Поможем написать любую работу на аналогичную тему