Математическая биология и биоинформатика – это области пересечения сразу нескольких наук: не только математики, информатики и биологии, как понятно из названия, но и физики с химией. Нашу деятельность можно условно разделить на два направления – это построение и исследование математических и компьютерных моделей различных биологических систем и процессов и анализ биологических данных и их дальнейшая интерпретация. Зачастую это очень связанные задачи, например, по результатам анализа данных в дальнейшем строится модель, но, тем не менее, поскольку на начальном этапе эти направления требуют разных навыков от студентов, мы такое условное деление проводим.

Что касается биологических систем, которые мы моделируем или анализируем, то спектр их весьма широк – это и микробные системы, и растения, и заболевания человека.

Помимо решения содержательных задач моделирования и анализа биологических данных, мы разрабатываем специализированное программное обеспечение для этих задач, включая системы хранения и анализа больших биологических данных.

Несколько лет назад мы принимали участие по созданию информационной системы по биоресурсным коллекциям научных организаций России. Необходимо было создать базу данных для хранения информации о самых разных биологических объектах – единицах хранения биоресурсных коллекций. От клеточных культур и микробов до сельскохозяйственных растений и животных, а также гербариев и других объектах. Пользователи системы – сотни организаций-держателей коллекций со всей России. Это достаточно прикладной проект, но очень важный.

Что касается фундаментальных исследований, то нашей группой был разработан новый метод моделирования эволюционирующих микробных сообществ, а также соответствующие программы. По масштабности и детальности описания процессов, происходящих в этих сообществах, до сих пор нет аналогов.

Большая часть наших исследований посвящена различным аспектам эволюции биологических систем. Это, конечно, прежде всего, фундаментальные исследования. С помощью моделирования мы исследуем некоторые общие принципы организации биологических систем, а с помощью анализа, например, геномных данных можем, во-первых, проверить результаты моделирования, а, во-вторых, сформулировать новые задачи для моделирования.

Что касается прикладных областей, отмечу два направления: это моделирование микробов для нужд биотехнологии и исследование молекулярно-генетических механизмов заболеваний человека методами биоинформатики и математического моделирования. По первой задаче рабочий цикл выглядит следующим образом: уже определено (генетики говорят – секвенировано) довольно много геномов микроорганизмов; по секвенированному геному можно построить математическую модель, более-менее точно описывающую происходящие в клетке процессы; дальше стоит задача подобрать воздействия на геном (каждое воздействие можно смоделировать с некоторой, большей или меньшей точностью), которые приведут к изменению состояния клетки, желательно, таким образом, чтобы она начала производить нужный нам целевой продукт. Вторая задача в чём-то похожа на первую – также строится модель молекулярно-генетической системы, а дальше исследуется, во-первых, в чём причина болезни, с точки зрения моделирования, а, во-вторых, можно ли исправить ситуацию. Здесь также привлекается обширный пул разнородных данных, это и биомедицинские данные, и данные секвенирование, и много что ещё.

Да, по многим тематикам у нас есть гранты. Часть задач выполняется в рамках Курчатовского Геномного Центра ИЦиГ СО РАН, это один из нескольких Центров Геномных Исследований Мирового Уровня в России.

В основном мы сотрудничаем с различными академическими институтами. Среди них ИМ СО РАН, ИВМиМГ СО РАН, медицинские институты. Из иностранных мы сотрудничаем с Университетом Мартина Лютера (Германия) и Университетом Суррей (Великобритания). Сотрудничество с другими коллективами приостановлены на время пандемии (надеюсь, ненадолго).

Наши выпускники работают преимущественно в науке, как у нас, так и за рубежом. В основном работают по специальности – занимаются математической биологией или биоинформатикой. Примерно треть выпускников работает в коммерческих компаниях, не только биоинформатических, но и занимающихся анализом данных и коммерческим программированием.

В данный момент у нас в коллективе специализируется четыре магистранта и два бакалавра ММФ, а также два бакалавр ФЕН (биологи). В аспирантуре Института Цитологии и Генетики СО РАН по специальности «математическая биология, биоинформатика» у нас обучается четыре аспиранта – два выпускника ФЕН, по одному с ММФ и ФИТ.

Вообще у нас в коллективе преимущественно выпускники ММФ, ФФ, ФИТ и ФЕН. Мы очень много взаимодействуем с разными коллективами нашего института и других институтов России и Европы.

Исходно мы не ожидаем, что студенты будут обладать какими-то знаниям в области биологии, генетики и т.п. То же относится и к анализу данных, машинному обучению и «продвинутому» программированию. Бесспорно, если студент обладает знаниями в этих областях, например, прослушал какие-то курсы на Курсере, Степике или других платформах, он будет обладать неким преимуществом, но не более того.

У нас есть несколько направлений тематик: построение и анализ математических и компьютерных моделей различных биологических систем. Написание программ-симуляторов для численного исследования моделей. Прежде всего, речь идёт об агентно-ориентированных моделях. Разработка средств для анализа генных сетей (это графовые модели молекулярно-генетических систем). Отдельный проект – разработка методов автоматической генерации моделей по биологическим данным, в частности, геномным.

Жёстких формальных требований у нас нет, но мы даём несколько тестовых заданий, прежде чем принимаем решение взять студента на специализацию. Для успешного выполнения тестовых заданий надо понимать численные методы, а также уметь программировать.