Pou

1
Použitie metafory chemostatu ako optimalizacného
algoritmu

• Správa o stave riešenia pre Dizertacný projekt I
• Školitel prof. Ing. Vladimír Kvasnicka, DrSc.
• Vypracoval Ing. Marian Bobrík

2
Chemostat

• zariadenie používané na pestovanie biologických
  kultúr

Prítok živín
Organizmy živiny
Miešanie
Odtok obsahu
3
Chemostat

• Metafora pre modelovanie správania populácie
• Príklad jednoduchého chemostatu

4
Typogenetika

• Zjednodušený analóg reálnych biologických
  molekúl
• Príliš zjednodušený
• sekundárna štruktúra prakticky nehrá úlohu
• nie je výpoctovo univerzálny
• Použitelný na modelovanie hypercyklov

5
Ribonukleová kyselina

• Štruktúra RNA

Sekundárna štruktúra
Terciárna štruktúra
Primárna štruktúra
6
Ribonukleová kyselina

• Zároven schopná niest genetickú informáciu
• Aj vykonávat katalytické funkcie
• Vytvára širokú paletu 3D tvarov
• Schopná katalyzovat vlastné kopírovanie
• Hypotéza RNA sveta
• RNA a umelá chémia

7
Typy sekundárnej štruktúry
Viacnásobná slucka (multiloop)
Páry báz (base pairs)
Vnútorná slucka (internal loop)
Vydutina (bulge)
Vonkajšia slucka (internal loop)
Sponka (hairpin)
8
Zápis sekundárnej štruktúry

• Vždy sa dá zakreslit planárnym grafom
• Množina párov
• Podmienky
• Ak a sú páry báz, potom pre
  každé páry platí

9
Zátvorkový zápis

• S AUGCGAGGUUUCGCCGCACGGUCGGUC
• fold(S)0?25,3?12,4?11,5?9,13?24,14?23,15?22,17?2
  1

10
Stromový zápis

External(0,4)
1
Bulge(1,0)
1
Multi(0,0,2)
2
1
Bulge(0,1)
Bulge(1,0)
3
1
Hairpin(3)
Bulge(1,0)
1
Hairpin(3)
11
Dynamické programovanie

• Minimalizácia volnej energie
• Zjednodušený výpocet

12
Brainfuck

• Extrémne jednoduchý
• Výpoctovo univerzálny
• Vhodný pre evolucné algoritmy

Príkaz Význam C ekvivalent
Inkrement akumulátora a
- Dekrement akumulátora a--
gt Inkrement ukazatela p
lt Dekrement ukazatela p--
Zaciatok slucky while( a )
Koniec slucky
. Cítanie a p
, Zápis p a
13
Virtuálny procesor

14
Tabulka inštrukcií
Hex Príkaz Význam C ekvivalent
0 0 Ukoncenie programu return
1 V Inkrement ukazatela p
2 Dekrement ukazatela p--
3 Inkrement akumulátora a
4 - Dekrement akumulátora a--
5 lt Cítanie z pamäti a memory p
6 gt Zápis do pamäti memory p a
7 Cítanie z I/O medzipamäti a io_buffer p
8 Zápis do I/O medzipamäti io_buffer p a
9 Zaciatok slucky while( a )
A Koniec slucky
B N Nic
C X Vymen nasledujúcu hodnotu s akumulátorom int tmp memory pc memory pc a a tmp
D N Nic
E N Nic
F Z Vymaž registre a 0 p 0
15
Test hustoty replikátorov

• Najjednoduchší replikátor ltV
• z 1048576 (220) náhodných programov
• každý 62500 program je replikátor
• Priemerná velkost 11.6 znaku

16
Stromová reprezentácia programu

• Vyššie programovacie jazyky
• Genetické programovanie
• Príklad for(aiaaagtgt1)ba1

17
Princíp systému
RNA
Genetické programovanie
Konvencný systém AL
..ACGCGUU...AUUCGCGA..

Sekundárna štruktúra


b
lt
a

V

Stromová štruktúra
Sémantika
Výsledný systém
18
Postup prekladu
19
Virtuálny procesor

20
Spôsob kódovania

21
Typy sluciek
ILoop1
Hairpin
MLoop
ELoop
BulgeL2
BulgeR2
BulgeL1
BulgeR1
ILoop2
22
Ekvivalenty

• Iné tvary sa pokladajú za MLoop

BulgeL1
BulgeR1
BulgeL2
BulgeR2
23
Interakcia s okolím
Okolie
GrabEL
Lavý retazec
......
register
111010001
L
1
0
1101
1
011
1001110
1001110
0001001000
24
Príkazy, ktoré nezávisia od typu predchádzajúcej
slucky
Pocet predchádzajúcich párov báz Pocet predchádzajúcich párov báz Pocet predchádzajúcich párov báz Pocet predchádzajúcich párov báz Pocet predchádzajúcich párov báz Pocet predchádzajúcich párov báz Pocet predchádzajúcich párov báz
Typ slucky 1 2 3 4 5 6 7
ELoop ROOT ROOT ROOT ROOT ROOT ROOT ROOT
MLoop LoopEdges LoopEdgesM LoopIncA LoopDecA LoopIncT LoopDecT LoopNop
BulgeL1 IncL ReadIncL InsIncL DelIncL CutIncL
BulgeR1 IncR ReadIncR InsIncR DelIncR CutIncR
BulgeL2 DecL ReadDecL InsDecL DelDecL CutDecL
BulgeR2 DecR ReadDecR InsDecR DelDecR CutDecR
ILoop1 IncA IncT AxchgT AtoT AsumT
ILoop2 DecA DecT Ligate TtoA TSumA
25
Príkazy, ktoré závisia od predchádzajúceho typu
slucky

• ( a nezávisia od predchádzajúceho poctu báz ).

Typ predchádzajúcej slucky Typ predchádzajúcej slucky Typ predchádzajúcej slucky Typ predchádzajúcej slucky Typ predchádzajúcej slucky Typ predchádzajúcej slucky Typ predchádzajúcej slucky Typ predchádzajúcej slucky
Typ slucky ELoop MLoop BulgeL1 BulgeR1 BulgeL2 BulgeR2 ILoop1 ILoop2
Hairpin SetT SetT GrabEL GrabER GrabBL GrabBR SetA SetA
26
Test hustoty samoreplikátorov

• Gramatika 0,1,,-,Y
• Energie párov E(0?1) 15, E(?-) 5
• Energia sponky/znak pre Ngt2 -1, inak 8
• Energia nespárovaného znaku -1
• Grab do 5 znakov vždy uspeje
• Grab na podretazec programu vráti jeho celý
  retazec
• Inak nevráti nic

27
Test hustoty samoreplikátorov

• Najkratší replikátor má 24 znakov
• Množstvo ekvivalentných sekvencií
• 0YYY---0000YYY1Y1111
• Z 10000000 náhodne generovaných sekvencií
• Každá cca 105000 sekvencia je replikátor
• Priemerná dlžka replikátora bola 50.4 znaku

28
Vznik samoreplikátorov v chemostate
29
Vznik samoreplikátorov v chemostate
30
Iba samointerakcia
31
Vlastnosti systému

• Výpoctová univerzálnost
• Spontánny vznik replikátorov
• Interakcie medzi programmi
• Evolúcia systému replikátorov

32
Výhlad do budúcna

• Priestorová štruktúra v chemostate
• Tvorba hypercyklov
• Evolúcia zložitejších funkcií
• Menej zjednodušený výpocet sekundárnej štruktúry