Биология и математика: найден способ распутать симметрии в генах

Когда в математике разные числа дают один и тот же результат — это не ошибка, а особенность. В биологических моделях такая особенность тоже есть, и она может быть ключом к более точным предсказаниям и новым открытиям.

Ученые из CSHL впервые создали единую математическую теорию калибровочных свобод, позволяющую системно учитывать симметрии в биологических последовательностях, таких как ДНК и белки

Источник: Midjourney

В журнале PLOS Computational Biology вышла статья исследователей из Cold Spring Harbor Laboratory (CSHL). В ней предложена единая теория для так называемых калибровочных свобод — математических неопределенностей, возникающих в биологических моделях. Речь о ситуациях, когда разные наборы параметров в модели дают одинаковые предсказания. Это похоже на то, как дроби 2/4 и 3/6 дают одно и то же значение — хотя выглядят по-разному.

Такие калибровочные свободы давно известны физикам. Они играют важную роль в теориях электромагнетизма и квантовой механики. Но теперь становится ясно, что они столь же значимы и в вычислительной биологии, особенно при моделировании взаимодействий ДНК, РНК и белков. Исследователи CSHL, в том числе доценты Джастин Кинни и Дэвид МакКэндлиш, взглянули на эту проблему системно.

Доцент CSHL Дэвид МакКэндлиш (в центре) встречается с соавторами исследования, бывшими постдокторантами CSHL Анной Посфай и Хуаннаном Чжоу, ныне доцентом Университета Флориды

Источник: McCandlish lab/CSHL

По словам Кинни, такие свободы повсеместно встречаются в моделях, но раньше на них смотрели скорее как на техническую помеху. Команда впервые детально изучила их происхождение и предложила, как с ними эффективно работать. Вместо того, чтобы использовать частные методы для каждой задачи, ученые создали единую математическую теорию. Эта теория описывает, как можно корректно учитывать симметрии, заложенные в реальных биологических последовательностях.

Вторая работа, опубликованная параллельно в Physical Review Research, показала, откуда именно берутся эти калибровочные свободы. Оказалось, они необходимы, чтобы модели могли правильно отразить структуру и закономерности генетических данных. Против интуиции, но чем сложнее модель, тем проще становится ее интерпретация — именно потому, что она лучше учитывает реальную симметрию в данных.

Эта теория показывает, что калибровочные свободы — не просто технические детали, а необходимый элемент для корректной интерпретации генетических моделей и ускорения практических приложений в биологии и медицине

Источник: Unsplash

Разработанный подход позволяет быстрее и точнее интерпретировать результаты, полученные в таких сферах, как селекция растений, разработка новых лекарств и даже синтетическая биология. Это важный шаг к тому, чтобы превратить абстрактные модели в рабочий инструмент для практической науки.

Если вам интересны глубокие математические исследования, меняющие наше понимание сложных систем, обратите внимание на недавние достижения в теории турбулентности — там, где хаос становится закономерностью, и математические модели позволяют понять поведение вихрей и жидкостей. Об этом подробнее можно прочитать в статье о новых доказательствах ключевых эффектов в турбулентных потоках.