БІОІНФОРМАЦІЙНІ СИСТЕМИ З ДЕТЕКТОРАМИ І МОЖЛИВОСТЯМИ КОДУВАННЯ СИГНАЛІВ
DOI:
https://doi.org/10.15407/scine18.02.073Ключові слова:
інформаційні технології, інформаційна система, біосенсор, кодування сигналів, екологічний моніторинг.Анотація
Вступ. Інтеграція комп’ютерних технологій в різні галузі науки дозволяє розробляти нові методології, гібридні інформаційні системи з розширеними можливостями, зокрема такі як біоінформаційна система «ЕкоІС» для екологічного моніторингу із застосуванням детекторів біологічних даних.
Проблематика. Розробка інноваційних біоінформаційних систем з детекторами біологічних даних є актуальною, оскільки останні мають низку переваг: дозволяють виконувати експрес-діагностику, тестування хімічних речовин вже у перші моменти після їхньої дії, легко інкорпоруються у електронні системи реєстрації, виступають як елементарний аналітичний блок з можливостями кодування даних тощо.
Мета. Здійснити комплексний аналіз різних типів детекторів біологічних даних та розробити фізичну модель біосенсора з можливостями кодування сигналів та розробку біоінформаційної системи з такими детекторами.
Матеріали і методи. Використано порівняльний аналіз інформаційних систем з функціями екомоніторингу, різних типів біосенсорів; дані електрофізіологічних експериментів з реєстрації хемочутливих трансмембранних електричних струмів у режимі фіксації потенціалу та patch clamp.
Результати. Розроблено фізичну модель біосенсора, здійснено його випробування. Продемонстровано введення розроблених біосенсорів до складу електронної біоінформаційної системи на прикладі авторської системи «ЕкоІС». Нейроноподібний біосенсор розглядався як абстракція із єдністю його функцій: приймач сигналу–фільтр–аналізатор–кодер/декодер, де на вхід інформація надходила у вигляді структур хімічних речовин або електричних сигналів,
після перетворення (перекодування) інформацію реєстрували у вигляді електричних сигналів зі зміненими характеристиками. Показано перспективність розробки новітніх методів захисту інформації у системах за участю біосенсорів.
Висновки. Розробку можна застосовувати для створення біоінформаційної системи моніторингу довкілля з інкорпорованою біосенсорною системою та із захистом даних на основі принципів і досягнень сучасної біофізики.
Завантаження
Посилання
Klyuchko, O. M. (2008). Information and computer technologies in biology and medicine. Kyiv: NAU-druk. 252 p. [in Ukrainian].
Klyuchko, O. M. (2018). Information computer technologies for using in biotechnology: electronic medical information systems. Biotechnol. acta, 11(3), 5-26. https://doi.org/10.15407/biotech11.03.005
https://doi.org/10.15407/biotech11.03.005
Bănică, Florinel-Gabriel. (2012). Chemical Sensors and Biosensors: Fundamentals and Applications. Chichester, UK: John Wiley & Sons. Р. 576. https://doi.org/10.1002/9781118354162
Dincer, C., Bruch, R., Costa Rama, E., Fern ndez Abedul, M. T., Merkoçi, A., Manz, A., Urban, G. A., Güder, F. (2019). Disposable Sensors in Diagnostics, Food, and Environmental Monitoring. Advanced Materials, 31(30), 1806739. https://doi.org/10.1002/adma.201806739
Klyuchko, O. M., Klyuchko, Z. F. (2018). Electronic information systems for monitoring of populations and migrations of insects. Biotechnol. acta, 11(5), 5-25. https://doi.org/10.15407/biotech11.05.005
Klyuchko, O. M., Biletsky, A. Ya., Shutko, V. M., Kolganova, O. O. (2020). Development of scientific and methodological bases of information protection: physical model of artificial molecular memory based on compounds - phenol derivatives. Ukrainian Information Security Research Journal, 22(3), 157-166 [in Ukrainian].
Cavalcanti, A., Shirinzadeh, B., Zhang, M., Kretly, L. C. (2008). Nanorobot Hardware Architecture for Medical Defense. Sensors: journal, 8(5), 2932-2958. https://doi.org/10.3390/s8052932
Klyuchko, O. M., Pashkivsky A. O., Sheremet D. Yu. (2012). Computer modelling of some nanoelements for radiotechnic and television systems. Electronics and Control systems, 33(3), 102-107. [in Ukrainian]. https://doi.org/10.18372/1990-5548.33.5589
Klyuchko, O. M., Shutko, V. M., Kolganova, O. O. (2020). Physical model of artificial molecular memory based on two types of organic compounds. Ukrainian Scientific Journal of Information Security, 26(2), 99-107 [in Ukrainian].
Klyuchko, O. М., Biletsky, A. Ya. (2019). Computer recognition of chemical substances based on their electrophysiological characteristics. Biotechnol. acta, 12(5), 5-28. https://doi.org/10.15407/biotech12.05.005
Patent US 20020182642 A1, DE69832381OD1. Owe Orwar and Jardemark Kent Biosensors and methods of using the same. URL: https://www.google.com/patents/US20020182642 (Last accessed: 19.06.2020).
Akaike, N., Kawai, N., Kiskin, N. I., Kljuchko, E. M., Krishtal, O. A., Tsyndrenko, A. Ya. (1987). Spider toxin block sexcitatory aminoacid responses in isolated hippocampal pyramidal neurons. Neurosci. Lett., 79, 326-330. https://doi.org/10.1016/0304-3940(87)90453-8
Aramaki, Y., Yashuhara, T., Higashijima, T., Yoshioka, M., Miwa, A., Kawai, N., Nakajima, T. (1986). Chemical characterization of spider toxins JSTX and NSTX. Proc. Japan Academy, 62(9), 1012-1014. https://doi.org/10.2183/pjab.62.359
Bateman, A., Boden, P., Dell, A., Duce, I. R., Quicke, D. L., Usherwood, P. N. R. (1985). Postsynaptic block of a glutaminergic synapse by low molecular weight fraction of spider venom. Brain Res., 339(2), 237-244. https://doi.org/10.1016/0006-8993(85)90088-5
Biner, O., Trachsel, C., Moser, A., Kopp, L., Langenegger, N., Kämpfer, U., von Ballmoos, C., Nentwig, W., Schürch, S., Schaller, J., Kuhn-Nentwig, L. (2015). Isolation N-glycosylations and Function of a Hyaluronidase-Like Enzyme from the Venom of the Spider Cupienniussalei. PLoS One, 10(12), e0143963. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0143963
Budd, T., Clinton, P., Dell, A., Duce, I. R., Johnson, S. J., Quicke, D. L. J., Usherwood, P. N. R., Usoh, G. (1988). Isolation and characterisation of glutamate receptor antagonists from venoms of orb-web spiders. Brain Res., 448(2), 30-39. https://doi.org/10.1016/0006-8993(88)91098-0
Casewell, N. R., Wüster, W., Vonk, F. J., Harrison, R. A., Fry, B. G. (2013). Complex cocktails: the evolutionary novelty of venoms. Trends EcolEvol., 28(4), 219-229. https://doi.org/10.1016/j.tree.2012.10.020
Cavigliasso, F., Mathé-Hubert, H., Kremmer, L., Rebuf, C., Gatti, J. L., Malausa, T., Colinet, D., Poirié, M. (2019). Rapid and Differential Evolution of the Venom Composition of a Parasitoid Wasp Depending on the Host Strain. Toxins (Basel), 11(11), 629-647. https://doi.org/10.3390/toxins11110629
The Alkaloids: Chemistry and Pharmacology. (1994). (Eds. Cordell, G. A., Brossi, A.) V. 1. USA: Academic Press. 280 p. https://www.elsevier.com/books/the-alkaloids-chemistry-and-pharmacology/brossi/978-0-12-469541-2
Daly, N. L., Wilson, D. (2018). Structural diversity of arthropod venom toxins. Toxicon., 152, 46-56.
https://doi.org/10.1016/j.toxicon.2018.07.018
Herz, W., Kirby, G. W., Moore, R. E., Steglich, W., Tamm, Ch. (2012). Fortschritte der Chemie organischer Naturstoffe. In: Progress in the Chemistry of Organic Natural Products. (Ed.). USA: Springer Science & Business Media, 66. 332 p.
Grishin, E. (2016). Spider toxins active on purinergic P2X3 receptor. Toxicon., 116, 72.
https://doi.org/10.1016/j.toxicon.2016.01.003
Grishin, E. V., Volkova, T. M., Arseniev, A. S. (1988). Antagonists of glutamate receptors from the venom of Argiopelobata spider. Bioorganicheskaya chimia, 14(7), 883-892 [in Russian].
Grishin, E. V., Volkova, T. M., Arsenyev, A. S., Reshetova, O. S., Onoprienko, V. V., Magazanik, L. G., Antonov, S. M., Fedorova, I. M. (1986). Structural and functional characteristics of argiopin - ion channel blocker from venom of spider Argiopelobata. Bioorganicheskaya chimia, 12(8), 1121-1124 [in Russian].
Hashimoto, Y., Endo, Y., Shudo, K., Aramaki, Y., Kawai, N., Nakajima, T. (1987). Synthesis of spider toxin JSTX-3 and its analogs. Tetrah. Lett., 28(30), 3511-3514. https://doi.org/10.1016/S0040-4039(00)96340-8
Herzig, V. (2019). Arthropod assassins: Crawling biochemists with diverse toxin pharmacopeias. Toxicon, 158, 33-37. https://doi.org/10.1016/j.toxicon.2018.11.312
Jackson, H., Usherwood, F. N. R. (1988). Spider toxins as tools for dissecting elements of excitatory amino acids transmission. Trends In Neurosci., 11(6), 278-283. https://doi.org/10.1016/0166-2236(88)90112-9
Jankovic, J., Albanese, A., Atassi, M. Z., Dolly, J. O., Hallett, M., Mayer, N. H. (2009). Botulinum Toxin E-Book: Therapeutic Clinical Practice and Science. USA: Elsevier Health Sciences. 512 p.
Kachel, H. S., Buckingham, S. D., Sattelle, D. B. (2018). Insect toxins - selective pharmacological tools and drug/chemical leads. CurrOpin Insect Sci., 30, 93-98. https://doi.org/10.1016/j.cois.2018.10.001
Kiskin, N. I., Krishtal, J. A., Tsyndrenko, A. Ya. (1986). Excitatory amino acid receptors in hippocampal neurons: kainate fails to desensitize them. Neurosci. Lett., 63(2), 225-230. https://doi.org/10.1016/0304-3940(86)90360-5
Kusano Tomonobu, Suzuki Hideyuki. (2015). Polyamines: A Universal Molecular Nexus for Growth, Survival, and Specialized Metabolism. USA: Springer. 336 p. https://doi.org/10.1007/978-4-431-55212-3
Lajoiea, M., Zobel-Thropp, B. A., Delahaye, B., Roberts, S., Kumirov, V. K., Bandarian, V., Binford, G. J., Cordesa, M. H. J. (2016). The chemistry and functional diversity of spider phospholipase D toxins. Toxicon, 116, 79. https://doi.org/10.1016/j.toxicon.2016.01.025
Lee, S. Y., Kim, S. T., Jung. J. K., Lee, J. H. (2014). A comparison of spider communities in Bt and non-Bt rice fields. Environ Entomol., 43(3), 819-827. https://doi.org/10.1603/EN12259
Murua, M. G., Vera, M. A., Michel, A., Casmuz, A. S., Fatoretto, J., Gastaminza, G. (2019). Performance of Field-Collected Spodopterafrugiperda (Lepidoptera: Noctuidae) Strains Exposed to Different Transgenic and Refuge Maize Hybrids in Argentina. Journal of Insect Science, 19(6), 21. https://doi.org/10.1093/jisesa/iez110
Radis-Baptista, G., Konno, K. (2020). Arthropod Venom Components and Their Potential Usage. Toxins (Basel), 12(2), 82. https://doi.org/10.3390/toxins12020082
Senji Laxme, R. R., Suranse, V., Sunagar, K. (2019). Arthropod venoms: Biochemistry, ecology and evolution. Toxicon, 158, 84-103. https://doi.org/10.1016/j.toxicon.2018.11.433
Scharff, N., Coddington, J. A., Blackledge, T. A., Agnarsson, I., Framenau, V. W., Szuts, T., Cheryl, Y., Hayashi, C. Y., Dimitrov, D. (2020). Phylogeny of the orb-weaving spider family Araneidae (Araneae: Araneoidea). Cladistics, 36(1), 1-21. https://doi.org/10.1111/cla.12382
Schwartz, E. F., Mourão, C. B., Moreira, K. G., Camargos, T. S., Mortari, M. R. (2012). Arthropod venoms: a vast arsenal of insecticidal neuropeptides. Biopolymers, 98(4), 385-405. https://doi.org/10.1002/bip.22100
Walker, A. A., Robinson, S. D., Yeates, D. K., Jin, J., Baumann, K., Dobson, J., Fry, B. G., King, G. F. (2018). Entomo-venomics: The evolution, biology and biochemistry of insect venoms. Toxicon, 154, 15-27. https://doi.org/10.1016/j.toxicon.2018.09.004
Walker, A. A., Rosenthal, M., Undheim, E. E. A., King, G. F. (2018). Harvesting Venom Toxins from Assassin Bugs and Other Heteropteran Insects. J. VisExp., (134), сторінки. https://doi.org/10.3791/57729
Klyuchko, O. M. (2017). On the mathematical methods in biology and medicine. Biotechnol. acta, 10(3), 31-40. https://doi.org/10.15407/biotech10.03.031
Klyuchko, O. M. (2017). Application of artificial neural networks method in biotechnology. Biotechnol. acta, 10(4), 5-13. https://doi.org/10.15407/biotech10.04.005
Klyuchko, O. M., Onopchuk, Yu. M. (2018). Some trends in mathematical modeling for biotechnology. Biotechnol. acta, 11(1), 39-57. https://doi.org/10.15407/biotech11.01.039
Patent UA 134575 U; G01N33/00, C12N 15/00, A61P 39/00. Klyuchko O. M. Method for monitoring of chemicals influence on bioorganisms in few time intervals [in Ukrainian].
Patent UA 135574 U; C12Q 1/02, G01N33/00, G01N33/50, G016F 11/20. Klyuchko O. M., Biletsky A. Ya., Lizunov G. V., Piankova O. V. Method of application of monitoring system with biosensor and databases [in Ukrainian].
##submission.downloads##
Опубліковано
Як цитувати
Номер
Розділ
