Анализ молекулярных машин - Дипломная работа

Научное исследование таких моделей, как компьютерные сети, биологические сети, и социальные сети - это междисциплинарная область, которая сочетает в себе идеи из математики, физики, биологии, информатики, социальных наук и многих других областей.Один из простейших примеров такой случайной сети является сеть с фиксированными числом ребер m и числом вершин n. По другому, данную сеть можно обозначить как модель, которая создается путем равномерного выбора случайных множеств всех простых графов с числом вершин равным n и числом ребер равным m. Другое полностью эквивалентное определение модели состоит в том, чтобы сказать, что сеть создается путем равномерного выбора случайных множеств всех простых графов с числом вершин n и количеством ребер m. Строго говоря случайная модель сети не определена в терминах единственной произвольно генерируемой сети, а представляет собой совокупность сетей, то есть в котором каждая из сетей имеет определенную вероятность реализации, что значит, что каждая сеть ансамбля имеет свой собственный статистический вес. Степень узла сети представляет собой число связей узла.Молекулярная машина представляет из себя отдельную молекулу или комплекс молекул, который осуществляет квазимеханические движения, которые направлены на выполнение полезной работы. Молекулярными машинами, как правило, обозначаются те молекулярные структуры, которые имитируют определенные функции на макроскопическом уровне. Основное различие между этими двумя системами состоит в том, что переключатель влияет на систему как на функцию состояния, тогда как двигатель влияет на систему как функцию траектории. Таким образом структура белка представляет из себя упругую эластичную сеть, где главным объектом исследований выступает динамика этой сети. Для формирования эластичных связей между узлами необходимо выбрать правильный радиус обрезания, т.е. определить некоторую фиксированную величину, сравнивая с которой можно формировать связи между узлами: если расстояние между двумя элементами сети больше этого радиуса обрезания, то связь не устанавливается, а если меньше-то связь образуется.В данной дипломной работе проводится исследование топологических характеристик молекулярной машины, основываясь на методе описания структурных элементов при помощи ненаправленной эластичной сети в процессе динамики молекулярной машины, а также проводится визуализация полученной эластичной сети. Основываясь на данных параметрах составляется матрица связей узлов сети и разрабатывается программа для получения основных топологических характеристик сети. Проводится анализ данных состояний молекулярной машины, в ходе которого рассматриваются следующие топологические характеристики сети: распределение степеней связности узлов, распределение коэффициентов кластеризации узлов сети, а также центральность узлов в эластичной сети.В качестве объекта исследования рассматривается объект, полученный входе разработок на базе РАН, основываясь на метоах блочнополимерного синтеза в расчтворе со встроенными функциональными звеньями. Изображение модели молекулярной машины показано на Рисунке 5. В качестве доказательства того, что в качестве исследования рассматривается именно молекулярная машина говорит тот факт, что характерный спектр релаксационных мод для данной структуры имеет одну или две медленные моды, которые образуют спектральную щель. На рисунках 6 и 7 показаны характерные спектры релаксационных мод для двух состояний, в которых спектр имеет одну и две выделенные моды соответственно.Для каждого из этих спектров характерна одна выделенная мода, которая отделена от быстрых мод спектральной щелью. Рисунок 15 - Распределения степеней связности исследуемой эластчной сети с наложенным поверх него распределением степеней связности для случайной сети Ердыша-Реньи с одной выделенной модой Распределение степеней связности узлов эластичной сети отличается от характерного Пуассоновского распределения случайной сети Ердыша-Реньи наличием провала между двумя максимальными значениями по числу вершин. Данная характеристика является покзазательной для моделей с одной выделенной модой и характеризует наличие узлов с очень высокой и очень низкой степенью связности. Гистограмма распределения центральностей для сети с одной выделенной модой характеризуется наличием выделенной модой с высоким показателем центральности, в отличие от других мод, а также показывает наличие большого числа мод с низким значением показателя центральности.В результате исследовательской работы были получены данные топологических характеристик для эластичной сети, полученные на основе молекулярной машины, взятой в качестве объекта исследования. Топологические характеристики сети были получены для моментов динамики, когда отчетливо проявляются одна и две выделенные медленные моды.#print(matr) with open("C:\\Users\\Олег\\Анаконда\\2\\2SR.txt","w") as out: for i in range(128): for j in range(128): #print(matr[i][j], end=" ") if matr[i][j]=="1": print(i 1," ",

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1. ТЕОРЕТИЧСКИЕ ОСНОВЫ

1.1 Сети, их архетипы

1.2 Эластичные сети и молекулярные машины

2. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

3. ОБЪЕКТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

4. ИССЛЕДОВАНИЯ И РЕЗУЛЬТАТЫ

5. ВЫВОДЫ

БИБЛИОГРАФИЯ

ПРИЛОЖЕНИЯ

В результате исследовательской работы были получены данные топологических характеристик для эластичной сети, полученные на основе молекулярной машины, взятой в качестве объекта исследования. Топологические характеристики сети были получены для моментов динамики, когда отчетливо проявляются одна и две выделенные медленные моды. Данные исследования топологических характеристик показывают, что топологические свойства молекулярной машины хорошо отражают структуру сильносвязанных кликов, которые соединены относительным числом связей. Характеристики данных сетей отличаются от аналогичных характеристик сетей Ердыша-Реньи на всех проведенных сериях экспериментальных исследований.

Эластичная сеть представляет собой структурированный граф с небольшим числом кликов и разряженными связями между ними. Представляет интерес разработать алгоритмы синтеза структур, эластичные сети которых имеют такую структуру.

1. Milo R., Itzkovitz S., Alon U. (2004) Superfamilies of Evolved and Designed Networks; 14 July 2003; accepted 23 January 2004

2. Евин И.А. Сложные сети: Введение в теорию; Институт машиноведения имени А.А.Благонравова РАН.

3. Newman M. E. J. (2010) Networks An Introduction; Oxford University Press

4. Newman, M.E.J. and Girvan, M. 2004, Finding and evaluating community structure in networks, Phys. Rev. E 69, 026113; cond-mat/0308217.

5. Newman, M.E.J.(2003), The structure and function of complex networks, SIAM Review; cond-mat/0303516

6. Togashi Y., Mikhailov A. (2007) Nonlinear relaxation dynamics in elastic networks and design principles of molecular machines; PNAS 2007;104;8697-8702;

7. Albert, R. and Barabasi, A.-L.(2002), Statistical mechanics of complex networks, Rev. Mod. Phys.; cond-mat/0106096