Все выпуски

Исследование влияния внешних полей на живые системы — одно их наиболее интересных и быстро развивающихся направлений современной биофизики. Однако механизмы такого воздействия до сих пор не совсем ясны. Один из подходов к изучению этого вопроса связывают с моделированием взаимодействия внешних полей с внутренней подвижностью биологических объектов. В настоящей работе этот подход применяется для исследования влияния внешних полей на движение локальных конформационных возмущений — кинков в молекуле ДНК. Понимая и учитывая, что в целом такая задача тесно связана с задачей о механизмах регуляции процессов жизнедеятельности клеток и клеточных систем, мы поставили задачу — исследовать физические механизмы, регулирующие движение кинков, а также ответить на вопрос, могут ли постоянные и периодические поля выступать в роли регуляторов этого движения. В работе рассматривается самый общий случай, когда постоянные и периодические поля включаются и выключаются асинхронно. Детально исследованы три варианта асинхронного включения/выключения. В первом варианте интервалы (или диапазоны) действия постоянного и периодического полей не перекрываются, во втором — перекрываются, а третьем — интервалы вложены друг в друга. Расчеты выполнялись для последовательности плазмиды pTTQ18. Движение кинков моделировалось уравнением МакЛафлина–Скотта, а коэффициенты этого уравнения рассчитывались в квазиоднородном приближении. Численные эксперименты показали, что постоянные и периодические поля оказывают существенное влияние на характер движения кинка и регулируют его. Так, включение постоянного поля приводит к быстрому увеличению скорости кинка и установлению стационарной скорости движения, а включение периодического поля приводит к установившимся колебаниям кинка с частотой внешнего периодического поля. Показано, что поведение кинка зависит от взаимного расположения диапазонов действия внешних полей. Причем, как оказалось, события, происходящие в одном диапазоне, могут оказывать влияние на события в другом временном диапазоне даже в том случае, когда диапазоны расположены достаточно далеко друг от друга. Показано, что перекрывание диапазонов действия постоянного и периодического полей приводит к значительному увеличению пути, проходимому кинком до полной остановки. Максимальный рост пути наблюдается в случае вложенных друг в друга диапазонов. В заключении обсуждается вопрос о том, как полученные модельные результаты могут быть связаны с важнейшей задачей биологии — задачей о механизмах регуляции процессов жизнедеятельности клеток и клеточных систем.

Investigation of the influence of external fields on living systems is one of the most interesting and rapidly developing areas of modern biophysics. However, the mechanisms of such an impact are still not entirely clear. One approach to the study of this issue is associated with modeling the interaction of external fields with internal mobility of biological objects. In this paper, this approach is used to study the effect of external fields on the motion of local conformational distortions — kinks, in the DNA molecule. Realizing and taking into account that on the whole this task is closely connected with the problem of the mechanisms of regulation of vital processes of cells and cellular systems, we set the problem — to investigate the physical mechanisms regulating the motion of kinks and also to answer the question whether permanent and periodic fields can play the role of regulators of this movement. The paper considers the most general case, when constant and periodic fields are switching on and off asynchronously. Three variants of asynchronous switching on/off are studied in detail. In the first variant, the time intervals (or diapasons) of the actions of the constant and periodic fields do not overlap, in the second — overlap, and in the third — the intervals are putting in each other. The calculations were performed for the sequence of plasmid pTTQ18. The kink motion was modeled by the McLaughlin–Scott equation, and the coefficients of the equation were calculated in a quasi-homogeneous approximation. Numerical experiments showed that constant and periodic fields exert a significant influence on the character of the kink motion and regulate it. So the switching on of a constant field leads to a rapid increase of the kink velocity and to the establishment of a stationary velocity of motion, and the switching on of a periodic field leads to the steady oscillations of the kink with the frequency of the external periodic field. It is shown that the behavior of the kink depends on the mutual arrangement of the diapasons of the action of the external fields. As it turned out, events occurring in one of the two diapasons can affect the events in the other diapason, even when the diapasons are sufficiently far apart. It is shown that the overlapping of the diapasons of action of the constant and periodic fields leads to a significant increase in the path traversed by the kink to a complete stop. Maximal growth of the path is observed when one diapason is putting in each other. In conclusion, the question of how the obtained model results could be related to the most important task of biology — the problem of the mechanisms of regulation of the processes of vital activity of cells and cellular systems is discussed.

Широко используемаяв генной инженерии плазмида pTTQ18 рассматриваетсяв данной работе как неоднородная нелинейная динамическая система, в которой могут возникать и распространяться локальные конформационные возмущения, называемые также открытыми состояниями или кинками. Последовательность плазмиды pTTQ18 характеризуется наличием множества функционально значимых участков. В одних работах для математического описания нелинейной динамики плазмиды используется достаточно простые модели, включающие, например, только четыре функционально значимых участка: промотор (Pr), терминатор (Term), ген AmpR, ген lacI. В других работах рассматривают гораздо более сложные модели, включающие, например, одиннадцать функционально значимых участков: три промотора (tac promoter, lacIq promoter и AmpR promoter), два терминатора (T1 и T2), два гена (lacI и AmpR), участки lac operator, MCS, M13 fwd и ori. Очевидно, что математическое моделирование динамических свойств плазмиды в этом случае представляет собой гораздо более сложную задачу. В целом вопрос о том, сколько и какие участки необходимо включать при конструировании приближенных неоднородных моделей нелинейной динамики плазмиды, до сих пор остается открытым. И перед каждым исследователем при математическом моделировании внутренней динамики плазмиды pTTQ18 возникает вопрос о выборе той или иной приближенной схемы плазмиды. Цель данного исследования — построить иерархию моделей, котораямог ла бы помочь в решении этого вопроса. Для этого мы собрали несколько приближенных схем плазмиды pTTQ18 и моделей, основанных на этих схемах. Затем мы расположили их в порядке возрастающей сложности, создав своеобразную иерархию схем. Для каждой модели мы рассчитали энергетический профиль потенциального поля плазмиды, учитывая, что этот энергетический профиль является одной из наиболее важных характеристик, отражающих внутреннюю динамику плазмиды и ее связь с функциональными свойствами плазмиды. Построенная таким образом иерархияя вляется основным результатом работы. Предложенный в работе подход позволит исследователям лучше ориентироваться в потоке схем и моделей плазмиды pTTQ18, а также облегчит выбор подходящей модели как для плазмиды pTTQ18, так и для других плазмид.

The pTTQ18 plasmid, widely used in genetic engineering, is considered in this work as an inhomogeneous nonlinear dynamic system in which local conformation perturbations, also called open states or kinks, can arise and propagate. The pTTQ18 plasmid sequence is characterized by the presence of many functionally significant regions. Some studies use rather simple models to describe mathematically the nonlinear dynamics of plasmids, such as models containing only four functionally significant regions: promoter (Pr), terminator (Term), AmpR gene, and lacI gene. Other studies consider much more complex models, including, for example, eleven functionally significant regions: three promoters (tac promoter, lacIq promoter and AmpR promoter), two terminators (T1 and T2), two genes (lacI and AmpR), tac operator, MCS, M13 fwd and ori. Clearly, mathematical modeling the plasmid dynamic properties in this case is a much more complex task. Overall, the questions of how many and which regions should be included when constructing approximate inhomogeneous models of nonlinear plasmid dynamics remain open. When mathematically modeling the internal dynamics of the pTTQ18 plasmid, every researcher faces the question of choosing this or that approximate plasmid model. The goal of this study is to construct a hierarchy of models that could help resolve this issue. To do this, we gathered several approximate schemes of the pTTQ18 plasmid as well as models based on these schemes. Then we arranged them in order of increasing complexity, creating something like a hierarchy. For each model, we calculated the energy profile of the plasmid potential field, given that this energy profile is one of the most important characteristics reflecting the internal dynamics of the plasmid and its relationship with functional properties of the plasmid. The hierarchy constructed in this way allows researchers to navigate the flow of schemes and facilitates finding a suitable model not only for the pTTQ18 plasmid, but also for other plasmids. The hierarchy constructed in this way is the main result of the work. The proposed approach will allow researchers to better navigate the flow of pTTQ18 plasmid schemes and models, and will also facilitate the selection of an appropriate model for both pTTQ18 and other plasmids.