Методы анализа кинетической информации в биофизических исследованиях на основе ЭВМ

При исследовании количественных закономерностей развития биологических цроцессов наглядно проявляются преимущества комплексного подхода" сочетающего в себе методы экспериментальннх исследований и математического моделирования. С одной стороны, результаты даже самых точных экспериментов далеко не всегда позволяют ответить на вопрос о том, каковы движущие силы, механизмы биологических процессов" С другой стороны, только сопоставление свойств математических моделей с данными зксперимента служит необходимым условием проверки исходных гипотез, лежащих в основе анализируемых моделей. Само построение адекватных моделей возможно лишь с привлечением конкретных данных и представлений о первичных биофизических реакциях.

Так, математические модели биохимических циклов метаболизма основаны на детальном знании последовательности превращений веществ и оценке из экспериментальных данных значений концентраций и констант скоростей их взаимодействий.

Вместе с тем, наиболее целенаправленная и рациональная постановка эксперимента во многом определяется детальным анализом биологической системы с целью выявления наиболее существенных факторов, ответственных за ее свойства. Это доступно прежде всего методам математического моделирования. Изучение и совершенствование каждого отдельного этапа в организации исследований биокинетики имеет важное самостоятельное значение.

При проведении экспериментальных работ ш изучению молекулярной динамики биологических систем одним из наиболее распространенных и информативных биофизических: подходов является исследование релаксационных характеристик систем яосле выведения их из стационарного состояния. Развитие методов спектроскопии и экспериментальной техники последних лет (методов высокочувствительной дифференциальной спектроскопии пикосекундного диапазона, методов изучения переходных процессов на основе устройств для быстрого смешивания химреагентов, скачка температуры, давления и т. д.) способствовало еще более широкому распространению кинетического подхода при изучении биофизических процессов в биологических системах. Развитие этого подхода явилось одним из узловых моментов для постановки экспериментов и формирования на основе полученных данных современных представлений не только о пространственно-временной организации, но и о молекулярных механизмах первичных процессов фотосинтеза /1−5/.

Однако, на современном этапе дальнейшее расширение возможностей такого рода кинетических исследований требует развития новых методов анализа, обеспечивающих с высокой степенью точности оперативное определение численных значений кинетических параметров при обработке реальных сигналов, характеризующихся высоким уровнем шумов, нелинейными искажениями вследствие влияния регистрирующей аппаратуры и т. д. Дальнейшее повышение информативности каждого отдельного эксперимента, более полное выявление скрытых количественных закономерностей уже невозможно без привлечения вычислительной техники и средств автоматизации.

В основных направлениях экономического и социального развития СССР на I98I-I985 гг и на период до 1990 г указывается на необходимость расширения автоматизации проектно-конструкторских и научно-исследовательских работ с применением электронно-вычислительной техники — совершенствования средств и систем сбора, передачи и обработки информации — развития опережающими темпами быстродействующих управляющих и вычислительных комплексов, периферийного оборудования и программных средств к ним. Автоматизация научных исследований на базе вычислительной техники и средств автоматики является необходимым фактором повышения эффективности и качества научных исследований.

Использование в научных исследованиях средств автоматики и вычислительной техники ооздает реальные предпосылки для :

— повышения информативности эксперимента. На основе применения ЭВМ возможно получение качественно новых научных результатов, получение которых ранее было принципиально невозможно ;

— повышение точности. Существенно более точные результаты, получаемые из эксперимента позволяют во многих случаях перейти от качественной обработки информации к точный количественным закономерностям, На основе ЭВМ обеспечиваются условия для более тесного взаимодействия теории и практики ;

— повышения производительности. Возможность выполнения ЭВМ большого объема рутинной, нетворческой работы экспериментаторов ведет к уменьшению научно-технического персонала при увеличении эффективности научных исследований ;

— архивизация. Возможность ЭШ собирать, хранить и отображать чрезвычайно большие объемы экспериментальной научной информации ;

— быстрого и удобного отображения и документирования информации в нужной для экспериментатора форме ;

— органического объединения «физического» эксперимента, с одной стороны, и моделирования и численного экспериментас другой стороны.

Применение цифровой техники в биологии и, в частности, в биофизике имеет по сравнению с другими науками ряд специфических особенностей. Современный биологический эксперимент относится к той категории научных исследований, автоматизация которых на основе современных ЭШ является наиболее необходимой и наименее реализованной /6/. Это объясняется, во-первых, сложностью объектов исследования, многообразием их физических и химических характеристик, зачастую отсутствием формального описания (модели) исследуемых объектов. Эти особенности диктуют необходимость в создании автоматизированных систем сбора, обработки и управления, главным свойством которых является максимальная гибкость.

С другой стороны, тормозом к внедрению ЭВМ в биологический эксперимент является как недостаточное количество профессиональных математиков и специалистов по эксплуатации ЭШ в штатах биологических лабораторий, так и трудность овладения новыми методами исследований специалистами-биологами, не имеющими необходимой подготовки в области ЭШ и программирования. Для исследователей, привыкших анализировать экспериментальные результаты и работу приборов с представлением выходных данных в аналоговой форме переход к цифровой форме мышления оказывается весша затруднительным, В связи с этим большое значение имеет разработка многофункциональных систем сбора и обработки информации с развитым программным обеспечением, написанным в диалоговом режиме, что обеспечивает легкость общения с ЭШ пользователям, не являющимися специалистами в области математики и вычислительной техники.

Применение автоматизированных систем сбора и обработки информации на базе ЭВМ, в особенности мини и микро ЭВМ, производимых большими сериями, недорогих и поэтому доступных широкому кругу исследовательских лабораторий, — одно из необходимых условий современного развития биофизических исследований. Это развитие неразрывно связано как с разработкой и совершенствованием численных методов обработки экспериментальных данных, так и развитием аппаратной части автоматизированных комплексов, включающей в себя наряду с другими периферийными устройствами, устройства считывания экспериментальной информации. Следует отметить, что проблема ввода экспериментальных данных в ЭВМ создает определенные трудности, особенно, когда информация зарегистрирована на таких традиционных в биофизическом эксперименте носителях как фотопленка, бумага. В связи с этим создание простых автоматизированных устройств считывания экспериментальной информации с таких широкораспространенных в экспериментальных лабораториях носителей информации является самостоятельной проблемой, требующей непосредственного решения.

Целью данной работы является развитие современных автоматизированных систем сбора, математической обработки и документирования экспериментальных данных по кинетике переходных процессов и применение математических методов анализа кинетических данных для исследования пространственно-временной организации и молекулярных механизмов первичных стадий фотосинтеза.

Основные задачи работы включали :

— разработку и исследование возможностей метода численного количественного анализа кинетической информации, получаемой релаксационными методами в биофизических исследованиях ;

— разработку и создание универсального" автоматизированного устройства считывания и ввода в ЭШ кинетической информации, зарегистрированной на фотоносителе (в виде одиночных кривых или полутоновых изображений) или на перфоленте ;

— создание на базе мини ЭШ комплекса аппаратных и программных средств, реализацию в диалоговом режиме системы математической обработки и отображения экспериментальных данных по кинетике релаксационных процессов с апробацией возможностей комплекса на примере изучения влияния прои антиоксидантов на кинетику анаэробного восстановления микросомального цитохрома Р-450 ;

— проведение с помощью разработанных методов детального исследования температурной зависимости кинетики темновой рекомбинации фотохимически разделенных зарядов в фотосинтетических реакционных центрах бактериального типа.

Решение этих вопросов создает предпосылки для активного внедрения методов численного анализа в практику биофизических исследований и имеет важное значение применительно к исследованию кинетических закономерностей молекулярных механизмов фотосинтеза, включающих последовательные процессы переноса электрона с различными характерными временами.

ВЫВОДЫ.

1. Проведен анализ существующих в литературе методов разложения экспоненциальной функции на отдельные компоненты, путем численного эксперимента на ЭШ выявлены области их применения. Показано, что эти методы не дают достаточного разрешения, не обладают необходимой устойчивостью к действию шумовой помехи и, в частности, не позволяют определять постоянную составляющую, обычно присутствующую в экспериментальных сигналах.

2. Разработана и реализована для практического применения новая методика разложения экспоненциально спадающего сигнала на три экспоненты. Показана возможность определения по форме сигнала семи параметров — трех амплитуд, трех показателей экспонент и постоянной составляющей.

3. На модельных кривых проведен подробный анализ методаисследована сходимость, определена граница разрешения, оценено влияние усечения сигнала на вычисляемые параметры, оценено влияние модельной шумовой помехи на результаты анализа. Полученные данные свидетельствуют о перспективности практического применения разработанной методики для анализа экспериментальных данных.

4. На базе мини ЭШ «Электроника 100 И» создан комплекс аппаратных и программных средств для автоматизации процесса сбора, обработки, оперативного отображения и документирования данных по кинетике переходных биофизических процессов, зарегистрированных на фотопленке. Комплекс прикладных программ математического анализа адаптирован для использования на наиболее широко распространенных ЭШ типа «Электроника 60» и ЭШ серии СМ.

5. На базе разработанной методики анализа и созданных аппаратных средств проведено исследование влияния ионов Ре*и пропиягаллата на НАДФН — цитохром Р-450 редуктазную реакцию. Полученные данные свидетельствуют о незначительном влиянии прои антиоксццантов на анаэробное восстановление цитохрома Р-450.

6. Проведено исследование кинетики электронно-конформационных переходов в фотосинтетических реакционных центрах. Высокая точность разработанного метода анализа обеспечила возможность построения однозначной кинетической модели «аномальной» температурной зависимости скорости рекомбинации фотохимически разделенных зарядов в ФРЦ. Подтверждена модель функционирования ФРЦ, в соответствии с которой существуют две основные конформации ФРЦ с независимыми от температуры собственньн ми скоростями электронных переходов. Общая температурная зависимость электронного переноса определяется соотношением засе-ленностей этих конформаций, зависимых от температуры.

§ 5.

Заключение

.

В данной главе рассмотрено теоретическое обоснование метода анализа экспоненциальных зависимостей, а также ряд вопросов, связанных с реализацией метода на ЭВМ. Возможности метода проанализированы на модельных кривых. Основной упор сделан.