ПОСТРОЕНИЕ БАЗЫ АКТИВНЫХ ЗНАНИЙ ДЛЯ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕШЕНИЯ ЗАДАЧИ АНАЛИЗА ВТОРИЧНОЙ СТРУКТУРЫ РНК

Авторы: 
В. А. Перепелкин1,3 , И. И. Титов2 , Н. Л. Подколодный1,2 , Н. Е. Матус1,3 , Е. И. Шевелев3, Н. А. Колчанов2 , М. А. Марченко1,3
УДК: 
004.4
DOI: 
10.24412/2073-0667-2026-3-75-94
Аннотация: 

EDN: NSWEVQ

Рассматривается проблема автоматизации решения задач биоинформатики на основе баз активных знаний — частичного формального описания предметной области и библиотеки существующих программных модулей. В отличие от других подходов, основанных на ручном построении вычислительных конвейеров, программа решения задачи строится автоматически по ее высокоуровневой спецификации на основе базы активных знаний. Система автоматически синтезирует программу, выбирая и комбинируя имеющиеся модули с учетом их нефункциональных свойств, и обеспечивает параллельное исполнение независимых операций. Подход применен к задаче анализа вторичной структуры РНК. Рассматривается постановка задачи и процесс построения базы активных знаний для ее решения на основе существующих программных модулей из библиотеки ViennaRNA. Разработан прототип базы активных знаний с операциями предсказания структуры по одной и по множеству последовательностей РНК с выравниванием. Проведено тестирование на последовательностях консервативных доменов 5 и 6 интрона группы II из генома органелл Solanoideae. Предсказанные вторичные структуры согласуются с известными моделями, что подтверждает правильность автоматически построенного решения. Показана возможность автоматической реализации параллельных вычислений и перспективность расширения подхода для интеграции с существующими биоинформатическими платформами.

Исследование выполнено в рамках государственного задания ИВМ и МГ СО РАН FWNM-2025-0005 и при поддержке бюджетного проекта No. FWNR-2026-0023 ФИЦ ИЦиГ СО РАН.

Список литературы

  1. The Galaxy Community, The Galaxy platform for accessible, reproducible and collaborative biomedical analyses: 2022 update // Nucleic Acids Research. 5 July 2022. V. 50, Iss. W1, , P. W345– W351, https://doi.org/10.1093/nar/gkac247.
  2. Reich M., Liefeld T., Gould J. et al. GenePattern 2.0. Nat Genet 2006, 38, 500–501. https://doi.org/10.1038/ng0506-500.
  3. Di Tommaso P., Chatzou M., Floden E. et al. Nextflow enables reproducible computational workflows // Nat Biotechnol. 2017. N 35. P. 316–319. https://doi.org/10.1038/nbt.3820.
  4. Chen X., Chang J. T. Planning bioinformatics workflows using an expert system // Bioinformatics. April 2017. V. 33. Iss. 8. P 1210–1215. https://doi.org/10.1093/bioinformatics/ btw817.
  5. Jung N., Bertrand F., Bahram S., Vallat L., Maumy-Bertrand M. Cascade: a R package to study, predict and simulate the diffusion of a signal through a temporal gene network // Bioinformatics. February 2014. V. 30. Iss. 4. P. 571–573. https://doi.org/10.1093/bioinformatics/ btt705.
  6. Marchesi R., Micheletti N., I-Hsien Kuo N., Barbieri S., Jurman G., Osmani V. (2025) Generative AI mitigates representation bias and improves model fairness through synthetic health data. PLoS Comput Biol 21(5): e1013080. https://doi.org/10.1371/journal.pcbi.1013080.
  7. Sosic M., Sikic M. Edlib: a C/C++ library for fast, exact sequence alignment using edit distance // Bioinformatics. May 2017. V. 33. Iss. 9. P. 1394–1395. https://doi.org/10.1093/ bioinformatics/btw753.
  8. Malyshkin V. Active Knowledge, LuNA and Literacy for Oncoming Centuries // In Essays Dedicated to Pierpaolo Degano on Programming Languages with Applications to Biology and Security. 2015. V. 9465. Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg. P. 292–303.
  9. Chandrasekaran B., Josephson J. R., Benjamins V. R. What are ontologies, and why do we need them? IEEE Intell Syst. 1999;14(1):20–26. DOI: 10.1109/5254.747902.
  10. Podkolodnyy N. L., Podkolodnaya O. A. Ontologies in bioinformatics and systems biology // Vavilov Journal of Genetics and Breeding. 2015;19(6):652–660. DOI: 10.18699/VJ15.090.
  11. Podkolodnyy N. L., Podkolodnaya O. A., Ivanisenko V. A., Marchenko M. A. Ontologies in modelling and analysing of big genetic data // Vavilovskii Zhurnal Genetiki i Selektsii = Vavilov Journal of Genetics and Breeding. 2024;28(8): 940–949. DOI: 10.18699/vjgb-24-101.
  12. BioPortal, the world’s most comprehensive repository of biomedical ontologies. [Электрон. Рес.]: https://bioportal.bioontology.org/ontologies (дата обращения 01.06.2026).
  13. Manda P. Large Language Models in Bio-Ontology Research: A Review // Bioengineering. 2025; 12(11):1260. DOI: 10.3390/bioengineering12111260.
  14. Ison J., Kalas M., Jonassen I., Bolser D., Uludag M., McWilliam H., Malone J., Lopez R., Pettifer S., Rice P. EDAM: an ontology of bioinformatics operations, types of data and identifiers, topics and formats // Bioinformatics. 2013 May. 15;29(10):1325–32. DOI: 10.1093/bioinformatics/btt113.
  15. Callahan T. J., Tripodi I. J., Stefanski A. L. et al. An open source knowledge graph ecosystem for the life sciences. Sci Data. 2024;11(1):363. DOI: 10.1038/s41597-024-03171-w.
  16. Синтез параллельных программ и систем на вычислительных моделях // Вальковский В. А., Малышкин В. Э.; Отв. ред. Котов В. Е.; АН СССР, Сиб. отд-ние, ВЦ. Новосибирск: Наука. Сиб. отд-ние, 1988. 126 с.
  17. Малышкин В. Э., Перепелкин В. А. Построение баз активных знаний для автоматического конструирования решений прикладных задач на основе системы LuNA // Параллельные вычислительные технологии — XVIII всероссийская научная конференция с международным участием, ПаВТ’2024, г. Челябинск, 2–4 апреля 2024 г. Короткие статьи и описания плакатов. Челябинск: Издательский центр ЮУрГУ, 2024. с. 57–68. DOI: 10.14529/pct2024
  18. Кудрявцев А. А., Малышкин В. Э., Нуштаев Ю. Ю., Перепелкин В. А., Спирин В. А. Эффективная фрагментированная реализация краевой задачи фильтрации двухфазной жидкости // Проблемы информатики. 2023. № 2. С. 45–73. DOI: 10.24412/2073-0667-2023-2-45-73.
  19. Выродов А. Ю., Перепелкин В. А., Хайретдинов М. С., Хрыпченко А. В. Принципы организации программно-аналитической системы для параллельной обработки сейсмических данных // Вестник СибГУТИ. 2024. № 18(2). С. 57–68. DOI: 10.55648/1998-6920-2024-18-2-57-68.
  20. Schukin G., Perepelkin V., Malyshkin V. Parallelization of a Scientific Application Using Didal Distributed Data Library // In: Malyshkin, V. (eds) Parallel Computing Technologies. PaCT 2025. Lecture Notes in Computer Science, 2026. V. 16185. Springer, Cham. P. 124–139. https://doi. org/10.1007/978-3-032-06751-7_9.
  21. Lorenz R., Bernhart S. H., Ho¨ ner zu Siederdissen C. et al. ViennaRNA Package 2.0. Algorithms Mol Biol 6, 26 (2011). https://doi.org/10.1186/1748-7188-6-26
  22. Nawrocki E. P., Eddy S. R. Infernal 1.1: 100-fold faster RNA homology searches // Bioinformatics. November 2013. V. 29. Iss. 22. P. 2933–2935. https://doi.org/10.1093/ bioinformatics/btt509.
  23. Steffen P., Voss B., REhmsmEier M., Reeder J., GiEgEriCh R. RNAshapes: an integrated RNA analysis package based on abstract shapes // Bioinformatics. February 2006. V. 22. Iss. 4. P. 500–503. https://doi.org/10.1093/bioinformatics/btk010.
  24. Gorodnichev M., Lebedev D. Semantic tools for development of high-level interactive applications for supercomputers // J Supercomput 77, 11866–11880 (2021). https://doi.org/10. 1007/s11227-021-03731-6.
  25. Деменков П. С., Мухин А. М., Иванисенко В. А., Лашин С. А., Колчанов Н. А. Цифровая платформа «Микробиотех»: архитектура и назначение // Проблемы информатики. 2024. № 4 (65). С. 27–36. DOI: 10.24412/2073-0667-2024-4-27-36.

 

Ключевые слова: 
биоинформатика, автоматическое конструирование программ, анализ вторичной структуры РНК, концепция активных знаний.
Номер журнала: 
3(72) 2026 г.
Год: 
2026
Адрес: 
1 Институт вычислительной математики и математической геофизики СО РАН, 630090, Новосибирск, Россия 2 Институт цитологии и генетики СО РАН, 630090, Новосибирск, Россия 3 Новосибирский национальный исследовательский государственный университет, 630090, Новосибирск, Россия
Библиографическая ссылка: 
Перепелкин В. А., Титов И. И., Подколодный Н. Л., Матус Н. Е., Шевелев Е. И., Колчанов Н. А., Марченко М. А. Построение базы активных знаний для автоматического решения задачи анализа вторичной структуры РНК //"Проблемы информатики", 2026, № 3, с.75-94.  DOI: 10.24412/2073-0667-2026-3-75-94