基于人工生命的电子细胞模型研究

论文摘要

人工生命是计算机科学新的发展方向之一,电子细胞模型的建立与研究是人工生命重要的研究方向。电子细胞在计算机上模拟再现真实细胞的结构和物质组成,用于探索并最终发现细胞生命活动的新规律。现有电子细胞模型的模拟结果普遍在图形显示方面较为简单,不利于观察细胞内的生命活动。本文提出一种新的电子细胞模型Analog-Cell,主要工作如下:1)建立了国内第一个电子细胞模型Analog-Cell。本文建立了一个模拟真核细胞DNA序列转录得到mRNA,mRNA翻译得到多肽链这一基因表达过程的电子细胞模型Analog-Cell,分别提出了模拟转录和翻译过程的算法。模拟结果表明Analog-Cell模拟的基因表达符合生物学原理,比其他电子细胞模型含有更丰富的图像信息。2)研究并模拟了基因表达过程中主要的调控机制。在Analog-Cell模型中定义了参与基因表达的主要的调节因子和酶,并制定了符合酶促反应原理的调控规则,提出了多个实现基因表达调控机制的调控算法。模拟结果表明这些调控算法符合生物学原理,真实地模拟了基因表达的过程。3)研究并实现了启动子的检测与识别。真核生物的启动子决定了基因是否被表达,包括核心启动子和上游启动子元件。我们通过基于位置权值矩阵的方法提出了启动子识别算法,实现了决定基因是否开启的核心启动子的检测与识别。4)研究并在分子水平上模拟了基因突变。基因突变是基因组进化的主要途径之一,本文模拟了多种类型的基因突变,如点突变、插入和缺失。对于比较典型的点突变,本文提出了基因点突变模拟算法,以符合生物学结论的、较低的突变率模拟了基因点突变。

论文目录

• 内容提要
• 第一章 绪论
• 1.1 人工生命
• 1.1.1 复杂适应性系统
• 1.1.2 人工生命的产生
• 1.1.3 人工生命的研究内容
• 1.1.4 人工生命的研究方法
• 1.1.5 人工生命的基本思想与基础理论
• 1.1.6 人工生命的研究意义
• 1.2 电子细胞
• 1.2.1 电子细胞的产生与发展
• 1.2.2 电子细胞的研究内容
• 1.2.3 电子细胞的构建过程
• 1.2.4 现有电子细胞模型
• 1.2.5 电子细胞的研究意义
• 1.3 本文工作
• 第二章 Analog-Cell电子细胞模型的建立
• 2.1 基因表达
• 2.1.1 DNA转录为mRNA
• 2.1.2 mRNA翻译为多肽链
• 2.1.3 mRNA的降解
• 2.2 Analog-Cell的建模设计
• 2.2.1 总体设计
• 2.2.2 反应物
• 2.2.3 基因序列
• 2.2.4 反应规则
• 2.2.5 酶促聚合反应
• 2.2.6 三联体密码子的识别
• 2.2.7 降解反应
• 2.2.8 基于并发约束的随机模型
• 2.3 模拟结果
• 2.4 小结
• 第三章 Analog-Cell中的基因表达调控
• 3.1 基因表达调控
• 3.1.1 “一级”调控
• 3.1.2 “二级”调控
• 3.2 Analog-Cell模拟的基因表达调控
• 3.2.1 调节因子和酶
• 3.2.2 DNA的解螺旋
• 3.2.3 转录水平的调控
• 3.2.4 氨酰化反应
• 3.2.5 翻译起始的调控
• 3.2.6 翻译延伸的调控
• 3.2.7 翻译终止的调控
• 3.3 模拟结果
• 3.4 小结
• 第四章 Analog-Cell中启动子的检测和基因突变
• 4.1 启动子的检测
• 4.1.1 真核生物的启动子
• 4.1.2 位置权值矩阵
• 4.1.3 Analog-Cell中启动子的检测
• 4.2 基因突变
• 4.2.1 基因突变概述
• 4.2.2 Analog-Cell模拟的基因突变
• 4.3 小结
• 第五章 结论与展望
• 参考文献
• 作者读博士期间完成的论文与参加的科研项目
• 摘要
• Abstract
• 致谢