Предбиологическая эволюция на практике
Новый толчок эксперименты по направленной молекулярной эволюции получили после открытия полимеразной цепной реакции, позволяющей получать неограниченное количество точных копий молекулы ДНК. Интерес в данном случае подогревался не только научным любопытством, но и перспективами применения химической эволюции для выведения новых лекарств и биохимических реактивов, подобно селекции… Читать ещё >
Предбиологическая эволюция на практике (реферат, курсовая, диплом, контрольная)
Химическая эволюция макромолекул исследуется и экспериментально. Впервые она была реализована в конце 1960;х гг. при изучении вируса, заражающего кишечнук) палочку, — QP-фага[1]. Вирус настолько прост, что вся его генетическая информация заключена в четырех генах, записанных на молекуле РНК. Один ген колирует ферментрепликазу, который размножает саму вирусную РНК.
Исследователи провели несколько десятков циклов химических реакций, каждый из которых заключался в том, что из раствора молекул вирусной РНК, полученных в ходе предыдущего цикла, отбирали малую толику. Затем к ней добавляли строительный материал для сборки РНК и репликазу. Та принималась синтезировать новые копии имеющихся в растворе молекул РНК. Точность копирования невелика: при изготовлении каждой копии происходит одна-две ошибки. В естественных условиях эти мутации отсеиваются отбором, который сохраняет формы, приспособленные к паразитированию на бактерии. Экспериментаторы же, периодически укорачивая время проведения цикла, сделали главным критерием отбора скорость синтеза. В таких условиях преимущество получали мутантные формы РНК с более короткой молекулой, которая быстрее собирается. На исходе семьдесят четвертого цикла в пробирке остались в основном молекулы РНК, длина которых была в 6 раз меньше первоначальной. Они утратили способность заражать бактериальные клетки и сохранили один-единственный ген, отвечающий за самовоспроизводство, зато приспособились к новым условиям существования, научившись размножаться в 15 раз быстрее исходной формы.
Новый толчок эксперименты по направленной молекулярной эволюции получили после открытия полимеразной цепной реакции, позволяющей получать неограниченное количество точных копий молекулы ДНК. Интерес в данном случае подогревался не только научным любопытством, но и перспективами применения химической эволюции для выведения новых лекарств и биохимических реактивов, подобно селекции сельскохозяйственных животных и растений.
Идея заключается в том, что в медицинской практике часто необходимо вещество, которое связывалось бы с определенным белком и более ни с чем. При классическом подходе фармакологи пытаются сначала рассчитать или угадать строение молекулы, обладающей требуемым свойством, а затем синтезировать ее. По методу же химической эволюции берется большая (порядка десяти триллионов штук) популяция молекул ДНК и приводится в контакт с белком-мишенью. Те молекулы, которые связались с мишенью, отбираются, размножаются с помощью полимеразной цепной реакции и вновь приводятся в контакт с мишенью. По мере повторения циклов условия отбора ужесточаются, так что в конце концов выживают только молекулы, связывающиеся с мишенью прочно и предельно избирательно.
0 строении конечного продукта и о том, почему он действует именно так, разработчики могут не иметь ни малейшего представления, ибо они его не вычислили, не спроектировали, а вывели!
Не так давно начались попытки применить метод «генетического программирования» для решения сложных задач оптимизации и управления. По этому методу сначала создается популяция программ, способных принимать некоторые решения (например, с какого завода на какие склады везти продукцию). Затем в текст программ случайным образом вносятся «мутации». Полученные мутантные программы тестируются, среди них отбираются лучшие, скрещиваются между собой, в них снова вносятся случайные изменения и т. д.
На состоявшейся летом 1996 г. первой конференции по генетическому программированию[2] были продемонстрированы результаты эволюции программ, управляющих клеточными автоматами, которые, как утверждалось, по эффективности превосходят всё, что можно написать вручную. Пример клеточного автомата — игра в «крестики-нолики» — дело несерьезное. Однако уже к 1999 г. с помощью генетических алгоритмов реально осуществлялись: оптимизация профилей балок в строительстве, распределение инструментов в металлообрабатывающих цехах, обработка рентгеновских снимков в медицине, оптимизация работы нефтяных трубопроводов. В настоящее время на основе генетических алгоритмов создана мощная технология решения задач оптимизации и управления, среди достижений которой значатся: создание новых многокомпонентных сплавов с заданными свойствами, разработка аналоговых схем управления роботами (например, именно с помощью генетического алгоритма робота, моделирующего насекомое, научили реально летать), идентификация белков, синтез электронных схем и т. д.[3]