Биология

1.

ДОКЛАД ПО БИОЛОГИИ
Организм как
аппаратное обеспечение
генетического кода
СПбГУАП
Гр. С 522

2.

СТРУКТУРА ДОКЛАДА
Содержание
01
03
05
Генетический код как ПО
Конвейер исполнения
Коэволюция
02
04
06
Аппаратные компоненты
Аппаратные ошибки
Синтетическая биология

3.

ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ
Цели и задачи исследования
Цели
Методология аналогии
▸
Биологическая система
▸
Задачи исследования
1
2
Компьютерная архитектура
3
4
5
6
Ключевой инсайт:

4.

РАЗДЕЛ 1
Генетический код как программное обеспечение
Структура и свойства
Избыточность (вырожденность)
Сравнение: машинный код vs генетический код
Свойство
Машинный код
Генетический код
Помехоустойчивость
Стоп-кодоны
Ключевой факт
Важнейшее отличие
кодирующие последовательности (экзоны)
не является фиксированным
некодирующие участки (интроны, энхансеры,
сайленсеры)
«перепрошиваться»

5.

АППАРАТНЫЕ КОМПОНЕНТЫ • 2.1
Процессор: Рибосома
Архитектура молекулярного процессора
Блок декодирования
АЛУ
Сдвиговые регистры
Конвейер
10-20
~10 000
Параллельно

6.

АППАРАТНЫЕ КОМПОНЕНТЫ • 2.2
Память: ДНК, хроматин, эпигеном
Иерархическая система памяти
ROM — Архивная память
Геномная ДНК
800 МБ
RAM — Кэш-память
Регистры
Флеш-память
Хроматин
мРНК и тРНК
Эпигенетическая
Аналогия
Масштаб хранения данных
жесткий диск
Суммарная ёмкость
памяти на порядки превышает все цифровые хранилища человечества
оперативная память
кэш-процессора

7.

АППАРАТНЫЕ КОМПОНЕНТЫ • 2.3-2.4
Системы ввода-вывода и питание
Ввод: Сенсорные системы
Системная шина: Цитоскелет
Рецепторы клеточной мембраны
кинезинов и динеинов
→
→
→
до 1 мкм/с
Аналог:
Аналог:
Вывод: Продукция организма
Двигательная активность
Секреция
Энергопитание: АТФ
универсальная энергетическая валюта
Акустические сигналы
Химические сигналы
~10¹⁶

8.

РАЗДЕЛ 3
Конвейер исполнения: от гена к признаку
Пятиэтапный конвейер биосинтеза
1
2
3
4
5
Транскрипция
Сплайсинг
Трансляция
Фолдинг
Транспорт
Загрузка в память
Компилятор C → ASM
Обратная связь
Петля прямого управления
Динамическая линковка
Исполнение кода CPU
Установка программы
Система таймеров
Циркадные ритмы
Ключевой вывод
Аналог: аппаратный семафор
CLOCK
BMAL1
Петля ингибирования
Аналог: негативная обратная связь
Аналог:
сложная система на
кристалле (SoC)

9.

РАЗДЕЛ 4
Аппаратные ошибки и их коррекция
Мутации как аппаратные ошибки
Системы репарации (ECC-память биологии)
Одиночная замена (Bit flip)
Прямая репарация
ECC-коды
Инсерция/делеция (Сдвиг рамки)
Эксцизионная репарация оснований (BER)
BCH-код
Перестановка (Rearrangement)
Эксцизионная репарация нуклеотидов (NER)
Пакетные ошибки
Частота:
Система SOS (у бактерий)
Аварийный режим
Ошибки трансляции
~10⁻⁴ –
Клиническое значение
10⁻⁵
убиквитин-протеасомную
систему
пигментная ксеродерма синдром Линча

10.

РАЗДЕЛ 5
Коэволюция программы и платформы
Петля эволюционной взаимозависимости
Исключения: альтернативные коды
Митохондрии
в биологии
аппаратная реализация сама закодирована в той же ДНК
ДНК → Рибосомы → ДНК → ...
UGA кодирует триптофан
«Специализированные аппаратные ускорители» с собственным упрощенным
геномом
Инфузории
Гипотеза «застывшего кода»
летальными
Крупные эволюционные переходы
От прокариот к эукариотам
Организм как тестовая среда
Эндосимбиоз митохондрий
Неудачные варианты
отбраковываются
Многоклеточность
Бактерии

11.

РАЗДЕЛ 6
Перспективы синтетической биологии
Минимальный геном
Mycoplasma mycoides (2016)
Расширение алфавита
Шестибуквенный алфавит
473
Биогибридные вычисления
ДНК-чипы
X-Y
Новые полимеразы
Новые тРНК
Нейроморфные процессоры
Новые аминокислоты
Неизвестные функции
21-я, 22-я...
Бактерии-сенсоры
149
Перспектива
сами себя ремонтируют,
Аналог:
Аналог:
перепрограммируют и размножаются

12.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Выводы
1
Генетический код = программная система
синтаксис
2
Понимание = прогресс
семантику
синтетической биологии, генной
прагматику
инженерии и регенеративной медицины
Организм = машина
Главный нерешенный вопрос
процессоры
ввод-вывод
3
4
иерархическую память
энергопитание
принципиально иное аппаратное
обеспечение
Уникальность биологического «железа»
самовоспроизведению, эволюции и
самовосстановлению
полностью искусственных клеток