Виртуальная ячейка
| Первоначальный выпуск | 11 октября 1999 г |
|---|---|
| Стабильная версия | 7.4 / март 2021 г |
| Репозиторий | github |
| Написано в | Ява , С++ , Перл |
| Операционная система | Windows , MacOS , Linux |
| Платформа | ИА-32 , х64 |
| Лицензия | МОЯ лицензия |
| Веб-сайт | vcell |
Виртуальная ячейка (VCell) [1] [2] [3] [4] — это программная платформа с открытым исходным кодом для моделирования и симуляции живых организмов , в первую очередь клеток . Он был разработан как инструмент для широкого круга ученых, от экспериментальных клеточных биологов до биофизиков- теоретиков . [5]
Концепция
[ редактировать ]Virtual Cell — это передовая программная платформа для моделирования кинетики реакций, мембранного транспорта и диффузии в клетках и многоклеточных тканях сложной геометрии. Модели VCell имеют иерархическую древовидную структуру. Уровень ствола — это « Физиология », состоящая из отделов, видов и химических реакций, а также скоростей реакций, которые являются функциями концентрации. Учитывая начальные концентрации видов, VCell может рассчитать, как эти концентрации меняются со временем. То, как выполняется это численное моделирование, определяется рядом « Приложений », которые определяют, будет ли моделирование детерминированным или стохастическим, пространственным или фрагментарным; Несколько «Приложений» также могут указывать начальные концентрации, коэффициенты диффузии, скорости потока и различные допущения моделирования. Таким образом, « Приложения » можно рассматривать как вычислительные эксперименты по проверке идей о физиологической системе. Каждому « приложению » соответствует математическое описание, которое автоматически переводится на язык математического описания VCell. Несколько " Моделирование », включая сканирование параметров и изменение характеристик решателя, можно запускать в рамках каждого « приложения ».
Модели могут варьироваться от простых до очень сложных и могут представлять собой смесь экспериментальных данных и чисто теоретических предположений.
Virtual Cell можно использовать как распределенное приложение через Интернет или как автономное приложение. Графический интерфейс пользователя позволяет строить сложные модели с биологически значимой точки зрения: размеры и форма отсеков, молекулярные характеристики и параметры взаимодействия. VCell преобразует биологическое описание в эквивалентную математическую систему дифференциальных уравнений. Пользователи могут переключаться между схематическим биологическим представлением и математическим представлением в общем графическом интерфейсе. Действительно, при желании пользователи могут манипулировать математическим описанием напрямую, минуя схематическое представление. VCell позволяет пользователям выбирать числовые решатели для перевода математического описания в программный код, который выполняется для выполнения моделирования. Результаты могут отображаться в режиме онлайн или быть загружены на компьютер пользователя в различных форматах экспорта. Лицензия Virtual Cell предоставляет свободный доступ всем членам научного сообщества. [6]
Пользователи могут сохранять свои модели в базе данных VCell, которая хранится на серверах в Университете Коннектикута. База данных VCell использует систему контроля доступа с разрешениями, позволяющими пользователям сохранять свои модели конфиденциальными, делиться ими с избранными сотрудниками или делать их общедоступными. На веб-сайте VCell имеется доступный для поиска список общедоступных моделей , связанных с исследовательскими публикациями.
Функции
[ редактировать ]VCell поддерживает следующие функции:
- В рамках « Физиологии » модели могут быть определены как сети реакций или правила реакций. [7]
- Моделирование может быть выбрано либо для разрешения изменений концентраций в пространстве ( пространственное моделирование ), либо для предположения, что концентрации постоянны в разных отсеках ( моделирование по отсекам ).
- Для пространственного моделирования геометрия может быть задана с помощью аналитических уравнений геометрии, полученных из комбинации простых форм или полученных из импортированных изображений, таких как стеки трехмерных конфокальных микроскопов. Предоставляются утилиты для трехмерной сегментации данных изображения на такие области, как ядро, митохондрии, цитозоль и внеклеточные области.
- Моделирование может быть основано либо на интегрировании дифференциальных уравнений без использования случайных чисел ( детерминированное моделирование ), либо на случайных событиях ( стохастическое моделирование ).
- Моделирование можно запускать с использованием различных решателей, включая: 6 решателей обыкновенных дифференциальных уравнений (ODE), 2 решателя уравнений в частных производных (PDE), 4 непространственных стохастических решателя и Smoldyn. [8] для стохастического пространственного моделирования. VCell также предлагает гибридный детерминированный/стохастический пространственный решатель для ситуаций, когда некоторые виды присутствуют в небольшом количестве копий, а другие присутствуют в большом количестве копий. бесплатный сетевой решатель NFSim Совсем недавно появился для стохастического моделирования больших комбинаторно сложных моделей, основанных на правилах. Большинство решателей можно запускать локально, все решатели можно запускать удаленно на серверах VCell.
- Для многосекционных детерминистических моделей наилучшие значения параметров, соответствующие экспериментальным данным, можно оценить с помощью алгоритмов, разработанных системой программного обеспечения COPASI . Эти инструменты доступны в VCell.
- Модели и настройки моделирования (так называемые приложения ) могут храниться в локальных файлах в виде языка разметки виртуальных ячеек (VCML). [9] или храниться удаленно в базе данных VCell.
- Модели можно импортировать и экспортировать в виде языка разметки системной биологии (SBML). [10]
- Биологические пути можно импортировать как обмен биологическими путями (BioPAX). [11] для построения и аннотирования моделей.
Источники биологических и связанных с ними данных
[ редактировать ]VCell предоставляет пользователям интегрированный доступ к различным источникам, помогающим создавать и комментировать модели:
- Модели, хранящиеся в базе данных VCell, могут быть сделаны их авторами доступными некоторым пользователям ( shared ) или всем пользователям ( public ).
- VCell может импортировать модели из базы данных BioModels . [12]
- Биологические пути можно импортировать из Pathway Commons . [13]
- Элементы модели могут быть аннотированы идентификаторами из Pubmed UniProt ( белки ). [14] KEGG (реакции и виды), GeneOntology (реакции и виды), Reactome (реакции и виды) и ChEBI (в основном небольшие молекулы). [15]
Разработка
[ редактировать ]Виртуальная клетка разрабатывается в Берлинском научно-исследовательском центре клеточного анализа и моделирования при Центре здоровья Университета Коннектикута . [16] Команда в основном финансируется за счет исследовательских грантов через Национальные институты здравоохранения .
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Шафф Дж., Финк К.С., Слепченко Б., Карсон Дж.Х., Лоу Л.М. (сентябрь 1997 г.). «Общая вычислительная основа для моделирования клеточной структуры и функций» . Биофизический журнал . 73 (3): 1135–46. Бибкод : 1997BpJ....73.1135S . дои : 10.1016/S0006-3495(97)78146-3 . ПМК 1181013 . ПМИД 9284281 .
- ^ «Картирование механизмов, лежащих в основе жизни» . Хартфорд Курант. 23 февраля 1999 года . Проверено 19 марта 2012 г.
- ^ Лоу Л.М., Шафф Дж.К. (октябрь 2001 г.). «Виртуальная клетка: программная среда для вычислительной клеточной биологии». Тенденции в биотехнологии . 19 (10): 401–6. дои : 10.1016/S0167-7799(01)01740-1 . ПМИД 11587765 .
- ^ Коуэн А.Е., Морару II, Шафф Дж.К., Слепченко Б.М., Лоу Л.М. (2012). «Пространственное моделирование сотовых сетей сигнализации». Вычислительные методы в клеточной биологии . Том. 110. Эльзевир. стр. 195–221. дои : 10.1016/b978-0-12-388403-9.00008-4 . ISBN 9780123884039 . ПМЦ 3519356 . ПМИД 22482950 .
- ^ Морару II, Шафф Дж.К., Слепченко Б.М., Блинов М.Л., Морган Ф., Лакшминараяна А., Гао Ф., Ли Ю., Лоу Л.М. (сентябрь 2008 г.). «Программная среда моделирования и симуляции виртуальных клеток» . ИЭПП Системная биология . 2 (5): 352–62. doi : 10.1049/iet-syb:20080102 . ПМЦ 2711391 . ПМИД 19045830 .
- ^ «VCell — виртуальная ячейка» . Центр здоровья Калифорнийского университета в Коннектикуте . Проверено 22 марта 2012 г.
- ^ Блинов М.Л., Шафф Дж.К., Василеску Д., Морару II, Блум Дж.Э., Лоу Л.М. (октябрь 2017 г.). «Отсекальное и пространственное моделирование на основе правил с помощью виртуальной ячейки» . Биофизический журнал . 113 (7): 1365–1372. Бибкод : 2017BpJ...113.1365B . дои : 10.1016/j.bpj.2017.08.022 . ПМЦ 5627391 . ПМИД 28978431 .
- ^ «Смолдын: пространственный стохастический симулятор сетей химических реакций» . Проверено 23 марта 2012 г.
- ^ «Архитектура программного обеспечения VCell — спецификация VCML» . Проверено 23 марта 2012 г.
- ^ «Язык разметки системной биологии (SBML)» . Проверено 23 марта 2012 г.
- ^ «BioPAX - Обмен биологическими путями» . Проверено 23 марта 2012 г.
- ^ «База данных биомоделей — база данных аннотированных опубликованных моделей» . Проверено 23 марта 2012 г.
- ^ «Путь Коммонс» . Проверено 23 марта 2012 г.
- ^ «ЮниПрот» . Проверено 23 марта 2012 г.
- ^ «Химические соединения биологического интереса (ХЭБИ)» . Проверено 23 марта 2012 г.
- ^ «Центр клеточного анализа и моделирования Ричарда Д. Берлина (CCAM)» . Проверено 23 марта 2012 г.