Нейросети помогли физикам повысить точность молекулярных ДНК вычислений

Ученые физического факультета и Научно-исследовательского института ядерной физики имени Д.В. Скобельцына (НИИЯФ) МГУ имени М.В. Ломоносова решили задачу идентификации и определения концентрации каждого из азотистых оснований ДНК в многокомпонентных растворах по их спектрам комбинационного рассеяния (КР) с помощью искусственных нейронных сетей (ИНС). Результаты исследования были опубликованы в журнале Laser Physics.

Основным методом, который ученые применяли для исследования, был метод спектроскопии комбинационного рассеяния (КР) света. Анализ данных проводился с применением адаптивных методов обработки данных — искусственных нейронных сетей.

Для обеспечения контроля возможных ошибок в процессе молекулярных ДНК вычислений необходимо одновременное определение концентрации каждого из четырех азотистых оснований (АО) в растворах ДНК в присутствии всех остальных азотистых оснований. Если в спектрах КР однокомпонентных растворов азотистых оснований выделить их линии-маркеры не составляет труда, то в спектре раствора, где присутствуют все четыре азотистых основания, выделение характеристических маркеров каждого азотистого основания представляет собой чрезвычайно сложную задачу. Большинство линий-маркеров различных АО перекрываются между собой, поэтому построить какие-либо калибровочные зависимости интенсивности отдельных маркеров от концентрации соответствующего АО не представляется возможным.

Чтобы преодолеть указанные трудности, поставленная многопараметрическая обратная задача лазерной спектроскопии КР растворов ДНК — идентификация и определение концентрации каждого азотистого основания в буферном растворе всех четырех азотистых оснований в «рабочем» диапазоне концентраций ДНК вычислений — решалась с помощью искусственных нейронных сетей (ИНС).

В области работы биокомпьютеров, которые хранят и обрабатывают информацию в биологической среде, имеется ряд проблем, в первую очередь проблема повышения достоверности вычислений. Вычисления на биологических структурах представляют собой множество разнообразных биохимических реакций, в которых участвуют цепочки ДНК разной длины и с разной концентрацией в растворе, реакции проходят в разных буферах, с разными ферментами-праймерами, при разных температурных режимах. В процессе проведения многообразных операций возможны ошибки, связанные с потерями «рабочего вещества» в ходе реакции или, например, налипания молекул ДНК на стенках сосудов, случайными точечными мутациями или повреждениями в молекулах ДНК, нарушением условий проведения реакции и т. д. В реальных вычислениях потери молекул ДНК могут достигать 10-15% от исходного количества, в то время как выбывание из процесса вычислений даже 1-2% молекул ДНК приводит к неправильному решению задачи. Таким образом, минимизация и контроль ошибок при молекулярных вычислениях является одной из основных задач биокомпьютинга.

Исследования выполнены совместно с учеными Национального исследовательского ядерного университета «МИФИ».

Пресс-релизы о научных исследованиях, информацию о последних вышедших научных статьях и анонсы конференций, а также данные о выигранных грантах и премиях присылайте на адрес science@indicator.ru.