Einführung
In der Welt der Biologie ist die Analyse von DNA-Sequenzen ein Kerngebiet. Aber wussten Sie, wie die Schnittstelle zwischen Informatik und Biologie uns helfen kann, die DNA besser zu verstehen? Genau darüber werden wir heute sprechen – die Verwendung der Kolmogorov-Komplexität (auch als algorithmische Entropie bekannt) zur Analyse von DNA-Sequenzen.
Was ist Kolmogorov-Komplexität?
Kolmogorov-Komplexität, auch algorithmische Komplexität oder algorithmische Entropie genannt, ist eine Methode zur Messung der Komplexität eines Objekts oder einer Information. Einfach ausgedrückt ist die Kolmogorov-Komplexität eines Objekts die Länge des kürzesten Algorithmus, der das Objekt beschreiben und reproduzieren kann.
Betrachten Sie beispielsweise die folgenden zwei Zeichenfolgen:
A: AAAAAAAAAAAAAAAAAAAAB:AGTCACTGAGCTAGTCACTG
Obwohl beide 20 Zeichen lang sind, kann String A durch einen kurzen Algorithmus beschrieben werden, wie zum Beispiel: „Gib ‚A‘ 20 Mal aus.“ Für die Beschreibung von String B ist eine komplexere Methode erforderlich. Daher ist A aus Kolmogorovs Sicht weniger komplex als B.
DNA-Sequenzen und Kolmogorov-Komplexität
Dieses Maß an Komplexität wird besonders wichtig, wenn wir DNA-Sequenzen betrachten. Weil Muster, Wiederholungen und strukturelle Eigenschaften in DNA-Sequenzen in direktem Zusammenhang mit der biologischen Funktion stehen. Durch die Messung seiner Kolmogorov-Komplexität können wir Hinweise auf seine mögliche biologische Bedeutung erhalten.
Berechnen Sie die Kolmogorov-Komplexität mit Shell
Obwohl die Berechnung einer echten Kolmogorov-Komplexität unmöglich ist (da es sich um ein nicht berechenbares Problem handelt), können wir einige Näherungsmethoden verwenden. Hier ist ein einfacher Shell-Befehl, der die gzip-Komprimierung nutzt, um die Komplexität von Kolmogorov abzuschätzen: