Prírodou inšpirované algoritmy

Simulácia živej bunky

Podkapitoly:

Úvodné nastavenia v DDLab-e
Nastavenie susedstva prvkov
Nastavenie prepojení
Nastavenie pravidiel
Prezeranie a úprava štruktúry siete
Simulácia
Prispôsobenie výstupu simulácie
Výstup simulácie s novými parametrami
Na záver

Tento experiment, zjednodušený model živej bunky, demonštruje možnosti DDLab-u pri spätnom behu simulácie. Bunka je modelovaná ako diskrétna dynamická sieť (DDS), zložená z chemikálií. Prvkami siete sú teda:

• bielkoviny,
• enzýmy (bielkoviny vo funkcii katalyzátorov),
• ostatné chemikálie (napríklad jednoduché látky prijímané vo forme potravy, stopové prvky atď.).

V tomto modeli sa uvažuje len o dvoch možných stavoch týchto chemikálií: prítomné/neprítomné, podľa toho, či bude ich koncentrácia v bunke nad/pod určitou medznou hodnotou. Pojmom prítomná/neprítomná bude v DDS odpovedať stav 1/0. Na syntézu určitej látky, z ktorej sa bunka skladá, je potrebná prítomnosť (alebo neprítomnosť) rôznych ďalších látok. Túto súvislosť možno v modeli vyjadriť pomocou prepojení prvkov a pomocou pravidiel. Ak prítomnosť (syntéza) nejakej látky závisí od prítomnosti/neprítomnosti iných dvoch látok, znamená to, že v modeli bude stav príslušného prvku závisieť od stavu ďalších dvoch prvkov podľa nejakého booleovského pravidla. Napríklad pravidlo pre prvok biel4 by mohlo vyzerať takto:

Pravidlo vyjadruje, že "akási" bielkovina biel4 sa vytvorí len vtedy, ak je prítomná bielkovina biel1 a neprítomný enzým enz13. Z toho je jasné aj to, že prvok biel4 (z pohľadu DDS sa na bielkovinu/enzým pozeráme ako na prvok) je prepojený s prvkami biel1 a enz13. Podobné pravidlá a prepojenia určíme aj pre ostatné prvky siete.

Pred samotým spustením DDLab-u ostáva už iba zadefinovať parametre siete. Uvažujme o takejto veľmi jednoduchej bunke, kde:

• počet prvkov n=20 (bunka je zložená len z 20 rôznych chemikálií;
• počet prepojení na jeden prvok k<=3 (prítomnosť určitej chemikálie závisí najviac na troch iných);
• prepojenia budú generované náhodne (s určitým ovplyvnením náhodnosti, ktoré je medzi množstvom funkcií DDLab-u);
• pravidlá budú generované náhodne, tiež s ovplyvnením náhodnosti. (napr.: je nežiadúce, aby v bunke nejaká látka vznikla z ničoho, t.j. zakážeme pravidlo 000->1);
• veľkosť stavového priestoru bude 2n=220=1 048 576.

Dostávate booleovskú sieť, ktorej dynamické správanie môžete pozorovať pomocou DDLab-u.