Моделирование биоритмов в масштабах гена, клетки и всего организма
Автор: Захаров А.П., Брацун Д.А.
Журнал: Вестник Пермского университета. Математика. Механика. Информатика @vestnik-psu-mmi
Рубрика: Механика. Математическое моделирование
Статья в выпуске: 3 (22), 2013 года.
Бесплатный доступ
Выделяется три характерных масштаба описания биосистемы: микроскопический (размер гена), мезоскопический (размер клетки) и макроскопический (размер организма). Для каждого случая обсуждается подход к моделированию циркадианных ритмов на примере предложенной ранее модели с запаздыванием. На уровне гена использовалось стохастическое описание. Показана устойчивость механизма ритмов по отношению к флуктуациям. На мезоскопи-ческом уровне предложено детерминистское описание в рамках пространственно-распределенной модели. Обнаружен эффект групповой синхронизации колебаний в клетках. Макроскопические эффекты исследованы в рамках дискретной модели, описывающей коллективное поведение большого числа клеток. Обсуждается вопрос о сшивании результатов, полученных на разных уровнях описания.
Биоритмы, синхронизация, системы с запаздыванием
Короткий адрес: https://sciup.org/14729863
IDR: 14729863 | УДК: 517.958.57
Modeling biorhythms in the scale of a gene, a cell and a whole organism
In the paper three characteristic scales of a biological system are proposed: microscopic (gene's size), mesoscopic (cell's size) and macroscopic level (organism's size). For each case the approach to modeling of circadian rhythms is discussed on the base of a time-delay model. At gene's scale the stochastic description has been used. The robustness of rhythms mechanism to the fluctuations has been demonstrated. At the mesoscopic scale we propose the deterministic description within the spatially extended model. It was found the effect of collective synchronization of rhythms in cells. Macroscopic effects have been studied within the discrete model describing the collective behavior of large amount of cells. The problem of cross-linking of results obtained at different scales is discussed.
Список литературы Моделирование биоритмов в масштабах гена, клетки и всего организма
- Ашофф Ю. Биологические ритмы. М.: Мир, 1984. С. 412.
- Pittendrigh C.S. Temporal organization: reflections of a Darwinian clock-watcher//Annu. Rev. Physiol. 1993. V.55. P. 16-54.
- Моисеева Н.И., Сысуев В.М. Временная среда и биологические ритмы. Л.: Наука, 1981. С. 127.
- Степанова С.И. Биоритмологические аспекты проблем адаптации. М.: Наука, 1986. С. 244.
- Pikovsky A., Rosenblum M., Kurths J. Synchronization -а universal concept in nonlinear sciences. Cambridge University Press, 2001. P. 432.
- Hasty J., Collins J.J. Translating the noise//Nature Genetics. 2002. V. 31. P. 13-14.
- Брацун Д.А. Эффект возбуждения подкритических колебаний в стохастических системах с запаздыванием. Ч. I. Регуляция экспрессии генов//Компьютерные исследования и моделирование. 2011. Т. 3, № 4. С.431-438.
- Ghaemmaghami S., Won-Ki H., Bower K., Howson R. W., Belle A., Dephoure N., OShea E.K., Weissman J.S. Global analysis of protein expression in yeast//Nature. 2003. V. 425. P. 737-741.
- Якубке Х.-Д., Ешкайт Х. Аминокислоты, пептиды, белки. М.: Мир, 1985. С. 457.
- Koenderink et al. An active biopolymer network controlled by molecular motors//PNAS. 2009. V. 106, № 36. P. 15192-15197.
- Morozov K.I., Pismen L.M. Cytoskeleton fluidization versus resolidification: Prestress effect//Phys. Rev. E. 2011. V. 83. P. 051920-051928.
- Северина Е.С. Биохимия: учебник для вузов. М.: ГЭОТАР-Медиа, 2003. С. 784.
- Брацун Д.А., Захаров А.П. Моделирование пространственно-временной динамики циркадианных ритмов Neurospora crassa//Компьютерные исследования и моделирование. 2011. Т. 3, № 2. С. 191-213.
- Smolen P., Baxter D.A., Byrne J.H. Reduced models of the circadian oscillators in Neurospora crassa and Drosophila melanogaster illustrate mechanistic similarities//OMICS. 2003. V. 7, № 4. P. 337-354.
- Gillespie D.T. Exact stochastic simulation of coupled chemical reactions//J. Phys. Chem. 1977. V. 81. P. 2340-2361.
- Bratsun D., Volfson D., Hasty J., Tsimring L. Delay-induced stochastic oscillations in gene regulation//PNAS. 2005. V. 102, № 41. P. 14593-14598.
- Брацун Д.А., Захаров А.П. К вопросу о численном расчете пространственно-распределенных динамических систем с запаздыванием по времени//Вестник Пермского университета. Серия: Математика. Механика. Информатика. 2012. Вып. 4(12). С. 3241.
- Bratsun D.A., De Wit A. Buoyancy-driven pattern formation in reactive immiscible two-layer systems.//Chem. Eng. Sci. 2011. V. 66. № 22. P. 5723-5734.
- Bratsun D.A., De Wit A. Control of chemoconvective structures in a slab reactor//Techn. Phys. 2008. V. 53. P. 146-153.
- Salm М., Pismen L.M. Chemical and mechanical signaling in epithelial spreading//Phys. Biol. 2012. V. 9. P. 026009-026023.
- Koseska A., Ullner E., Volkov E., Kurths J., Garcia-Ojalvo J. Cooperative differentiation through clustering in multicellular populations//J. Theor. Biol. 2010. V. 263. P. 189-202.
- Denault D.L., Loros J.J., Dunlap J.C. WC-2 mediates WC-1-FRQ interaction within the PAS protein-linked circadian feedback loop of Neurospora//EMBO J. 2001. Vol. 20. P. 109-117.
- Danino T., Mondragon-Palomino O., Tsimring L., Hasty J. A synchronized quorum of genetic clocks//Nature. 2010. № 463. P. 326-330.
