Гены и геном

Реакции, происходящие с метаболитами определяют гены.

2.1 Виды генов

Гены бывают двух типов:

1. Транспортеры – определяют какие метаболиты могут подаваться на вход. Необходимо обратить внимание, что в клетку могут попадать только те вещества, для которых есть траспортеры.

2. Ферменты – определяют превращения метаболитов.

2.2 Строение генов

Каждый ген обозначается набором квадратных ячеек со смежными сторонами. В ячейках указаны (Рис. 7):

1. Позиция фермента в метаболическом пути (номер реакции по порядку от транспорта метаболита, согласно правилам нумерации).

2. Блок-субстрат, к которому либо присоединяется новый блок, либо отщепляется уже присоединенный.

3. Блок-реагент, который либо присоединяется к субстрату, либо отщепляется от него.

4. Номер связи субстрата по которой проходит реакция.

Рисунок 7. Строение гена

В ячейках гена-транспортера указаны буквы латинского алфавита [A-Z]. Какой метаболит позволяет перенести транспортер могут расшифровать морские биологи в своих экспериментах.

Пример как работает метаболический путь со всеми участниками (Рис. 8).

Рисунок 8. Метаболический путь

Все гены находятся в геноме – совокупности полей, ограничивающих максимальное количество генов в организме. Каждое поле кодирует один метаболический путь и называется метаболической системой (рис. 9). У человека, например, есть дыхательная система, сердечно-сосудистая и т.д. в зависимости от того какая медицинская система закодирована в метаболической.

Особо нужно обратить внимание, что первый ген системы всегда соприкасается со своим с транспортером.

Рисунок 9. Метаболическая система.

2.3 Правила приоритета

Если у метаболита, на который должен повлиять ген, достаточно разветвленная структура, то может возникнуть ситуация, что одну и ту же реакцию можно провести в нескольких местах метаболита (Рис 10). Чтобы снизить эффект такой ситуации работают правила приоритета реакций. При возможном выборе выполняется реакция с наивысшим приоритетом.

Далее перечислены возможные ситуации в порядке уменьшения приоритета:

1) Реакция с центральным блоком (Рис. 10а).

2) Реакция с малым блоком ближайшим к центральному (Рис. 10б).

3) Если первые два пункта не могут разрешить однозначно ситуацию реакция идет по всем позициям с наивысшим приоритетом (Рис. 10в).

Рисунок 10. Правила приоритета

2.4 О системе нумерации генов в метаболическом пути

1. Гены нумеруются последовательно вдоль метаболического пути, начиная с первого фермента. Транспортеры не нумеруются.

2. Основная нумерация идет по наиболее длинной последовательности превращений.

3. Если у системы происходит разветвление на несколько концовок пути, то продолжают нумеровать гены пути как если бы нумерация продолжалась с начала пути, но к каждому номеру гена из одной альтернативной концовки добавляют – «'N», где N – номер ответвления.

4. Если внутри ответвления N происходит еще одно ответвление, то путь нумеруют по непрерывной нумерации, добавляя «''N». Т.е. наращивают число апострофов.

5. Если у пути несколько входов, то нумеруют также, чтобы была непрерывная нумерация. Но к первому варианту добавляют к каждому номеру «*K», где K – номер альтернативного входа.

6. Если у альтернативного входа K есть дополнительный альтернативный вход, то его нумеруют оп непрерывной нумерации, добавляя «**K». Т.е. наращивают число звезд.

В примере (Рис. 11) показано, что самый длинный путь насчитывает 6 шагов. Поэтому выбирается в качестве основного он. Побочная нумерация входа отмечается «*», а выхода – «'». При этом нужно следить, чтобы в нумерации не было разрывов.

Рисунок 11. Нумерация метаболического пути

2.5 Энергетическая топограмма

Энергетическая топограмма определяет энергию метаболита, а также возможность проведения той или иной реакции ферментативным путем.

Есть три топограммы, соответствующие трем центральным фигурам (на рисунке 12 изображена топограмма треугольников).

Рисунок 12. Энергетическая топограмма. Цветные линии – отображение путей (см далее в тексте). Синия – условный путь нахождения начальной точки. Красная – пример метаболического пути. Зеленая – пример перехода через край поля.

Энергетическая топограмма разделена на уровни. Всего в топограмме 12 уровней (в примере показано 6). Перемещение между уровнями осуществляется в специальных точках перехода. Есть переходы на 1 уровень вверх () и переходы на 1 уровень вниз ().

Каждый уровень топограммы расчерчен координатной сеткой. Координатная сетка задает три направления. По ней можно перемещаться по шагам, определяющим реакции. Одно присоединение или отщепление одного малого блока – один шаг между соседними узлами координатной сетки. Направление задается в соответствии с рисунком (Рис. 13).

Рисунок 13. Направления реакций на координатной сетке

Переход на уровень вниз происходит автоматически при заходе в точку, где стоит знак перехода вниз.

Для перехода на уровень вверх нужно в точке со знаком перехода отщепить любой малый блок и перейти на уровень вверх в точку соответствующую полученному метаболиту (а не в ту же точку, где стоял знак перехода).

Начало координат, соответствующее центральному блоку без малых блоков отмечено соответствующей фигурой.

Переход через край поля позволяет выйти с противоположной стороны в соответствующей координате (Рис. 12 зеленый путь).

Области топограммы бывают трех видов:

1) зеленые проходятся без ограничений;

2) реакции, проведенные в красных областях влияют на плазмиды;

3) серые обладают специальными знаками запретов;

Запреты:

нельзя присоединять круг

нельзя присоединять треугольник

нельзя присоединять квадрат

нельзя отщеплять круг

нельзя отщеплять треугольник

нельзя отщеплять квадрат

нельзя использовать круг

нельзя использовать треугольник

нельзя использовать квадрат

можно использовать только круг

можно использовать только треугольник

можно использовать только квадрат

нельзя присоединять блоки

нельзя отщеплять блоки

нельзя заходить в область

нельзя выходить из области

Знаки запрета действуют в начале движения, кроме знака «нельзя заходить в область», который действует в конце движения.

Знаки запрета действуют на стандартные гены.

Стандартные ферменты – это те виды ферментов, которые известны на начало игры:

- Состоят из четырех блоков – необходимого минимума определения работы гена.

- Ячейки гена являются стандартными.

Информация по нестандартным генам, которые обходят знаки запрета, добывается в ходе реконструкции метаболических систем из реально существующих метаболических систем либо иными квестовыми способами. Нестандартные гены отличаются по количеству ячеек (у животных в нестандартных генах 8 ячеек) либо необычными ячейками (у бактерий).

Пример прохождения пути (Рис. 12, 14):

Допустим, у нас есть метаболит (1) в качестве стартовой позиции. Как определить его место на топограмме? У метаболита (1) три малых блока: один круг и два квадрата. Следовательно, чтобы определить его положение нужно проделать путь его возможного синтеза из одного центрального блока, например, пройдя по синей линии на рисунке, добавив к центральному треугольнику последовательно два квадрата и круг.

Далее идем по метаболическому пути (красная линия). Метаболит 2 дошел до точки перехода на следующий уровень. Для перехода на уровень 3 нужно сбросить один малый блок. Сбрасывать, например, треугольник невыгодно т.к. мы попадем на уровень 3 в область без возможности выхода. Сбросим треугольник и оказываемся в точке 3, которая находится на один шаг вниз от координаты точки 2 на предыдущем уровне.

Далее похожим путем проходим вплоть до уровня 4.

Рисунок 14. Пример метаболического пути

2.6 Расшифровка геномов

Геномы могут добывать из генетического материала живых существ морские биологи.

Все геномы, кроме бактериальных выдаются в расшифрованном виде.

Бактериальные геномы зашифрованы по следующему принципу (Рис. 15). Для каждого бактериального генома есть два шифра и ключ. Шифр 1 для всех бактерий выдается генетикам на начало игры. Также выдаются все ключи. Ключи соответствуют видам бактерий. Медики могут добыть шифр 2 из бактерии. Виды бактерий могут определять медики.

Также на шифре 2 проставлены границы генов.

Шифры – такие же прямоугольные таблицы, как и геномы. В шифре 1 в ячейках проставлены символы одного алфавита. В шифре 2 – другого. Для расшифровки нужно посмотреть на одну и ту же ячейку (с одинаковыми координатами, например 1-1 на обоих таблицах) и посмотреть на ключ, где символы одного алфавита расположены как координаты столбцов, а другого – как координаты строк. Посмотрев на пересечение строки и столбца, помеченными символами, найденными в ячейках с шифрами можно найти настоящее значение соответствующей ячейки.

Рисунок 15. Расшифровка бактериального генома