Виртуальная ячейка - Virtual Cell

Виртуальная ячейка
изначальный выпуск11 октября 1999 г.; 21 год назад (1999-10-11)
Стабильный выпуск
7.1 / ноябрь 2018; 2 года назад (2018-11)
Репозиторийgithub.com/ virtualcell/ vcell
Написано вЯва, C ++, Perl
Операционная системаWindows, macOS, Linux
ПлатформаIA-32, x64
ЛицензияЛицензия MIT
Интернет сайтvcell.org

Виртуальная ячейка (VCell)[1][2][3][4] является Открытый исходный код программная платформа для моделирования и симуляции живые организмы, в первую очередь клетки. Он был разработан как инструмент для широкого круга ученых, от экспериментальных клеточные биологи к теоретическим биофизики.[5]

Концепция

Модели VCell имеют иерархическую древовидную структуру. Уровень багажника "Физиология«состоящий из отсеков, компонентов и химических реакций, а также скоростей реакций, которые являются функциями концентраций. Учитывая начальные концентрации компонентов, VCell может рассчитать, как эти концентрации изменяются с течением времени. То, как выполняется это численное моделирование, определяется с помощью ряда»Приложения", которые определяют, будет ли моделирование детерминированным или стохастическим, пространственным или компартментальным; несколько" приложений "также могут указывать начальные концентрации, коэффициенты диффузии, скорости потока и различные допущения моделирования.Приложения«можно рассматривать как вычислительные эксперименты для проверки представлений о физиологической системе. Каждый»Заявление"соответствует математическому описанию, которое автоматически переводится на язык математического описания VCell. Множественный"Симуляции", включая сканирование параметров и изменения в спецификациях решателя, можно запускать в каждом"Заявление".

Модели могут варьироваться от простых до очень сложных и могут представлять собой смесь экспериментальных данных и чисто теоретических предположений.

Виртуальную ячейку можно использовать как распределенное приложение через Интернет или как отдельное приложение. Графический пользовательский интерфейс позволяет создавать сложные модели в биологически значимых терминах: размеры и форма компартментов, 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 напрямую управлять математическим описанием, минуя схематический вид. VCell позволяет пользователям выбирать численные решатели для преобразования математического описания в программный код, который выполняется для выполнения моделирования. Результаты могут отображаться в интерактивном режиме или загружаться 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 U. Коннектикут. База данных VCell использует систему контроля доступа с разрешениями, позволяющими пользователям сохранять свои модели конфиденциальными, делиться ими с избранными соавторами или делать их общедоступными. Веб-сайт VCell поддерживает список моделей с возможностью поиска которые являются общедоступными и связаны с исследовательскими публикациями.

Модели VCell могут быть сформулированы как сети реакции или основаны на правилах реакции. Модель может быть смоделирована с использованием многих физических допущений: детерминированных, стохастических или гибридных детерминированных / стохастических; непространственный компартмент, моделирующий только кинетику реакции, или с явной пространственной геометрией, учитывающей также диффузию и поток. Новая экспериментальная функция позволяет создавать модели реакции-диффузии с изменяющейся геометрией (вверху).

Функции

VCell поддерживает следующие функции:

  • В рамках "Физиология", модели могут быть определены как сети реакции или правила реакции.[7]
  • Моделирование может быть выбрано для разрешения вариаций концентраций в пространстве (пространственное моделирование) или предположите, что концентрации постоянны во всех отсекахкомпартментное моделирование).
  • Для пространственного моделирования геометрия может быть указана как аналитическая геометрия уравнения полученный из комбинации простых форм или полученные 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.
  • Моделирование может быть основано на интегрировании дифференциальных уравнений без использования случайных чисел (детерминированное моделирование) или основываться на случайных событиях (стохастическое моделирование).
  • Моделирование можно запускать с использованием различных решателей, включая: 6 обыкновенное дифференциальное уравнение (ODE) решатели, 2 уравнение в частных производных (PDE) решатели, 4 непространственных стохастический решатели и Смолдын[8] для стохастического пространственного моделирования. VCell также предлагает гибридный детерминированный / стохастический пространственный решатель для ситуаций, когда одни виды присутствуют в небольшом количестве копий, а другие - в большом количестве копий. Совсем недавно бесплатный решатель сети, NFSim, был доступен для стохастического моделирования больших комбинаторно сложных моделей, основанных на правилах. Большинство решателей можно запускать локально, все решатели можно запускать удаленно на серверах VCell.
  • Для компартментных детерминированных моделей наилучшие значения параметров, соответствующие экспериментальным данным, можно оценить с помощью алгоритмов, разработанных КОПАСИ программная система. Эти инструменты доступны в VCell.
  • Модели и установки моделирования (так называемые Приложения) может храниться в локальных файлах как язык разметки виртуальных ячеек (VCML)[9] или хранятся удаленно в базе данных VCell.
  • Модели можно импортировать и экспортировать как Язык разметки системной биологии (SBML)[10]
  • Биологические пути можно импортировать как Обмен биологическими путями (BioPAX)[11] для построения и аннотирования моделей.

Источники биологических и связанных данных

VCell предоставляет пользователям интегрированный доступ к различным источникам для построения и аннотирования моделей:

  • Модели, хранящиеся в базе данных VCell, могут быть доступны их авторам для некоторых пользователей (общий) или всех пользователей (общественный).
  • VCell может импортировать модели из База данных биомоделей.[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 ЧЭБИ (в основном небольшие молекулы).[15]

Разработка

Виртуальная ячейка разрабатывается в Р. Д. Берлинский центр клеточного анализа и моделирования на Центр здоровья Университета Коннектикута.[16] Команда в основном финансируется за счет исследовательских грантов через Национальные институты здоровья.

Рекомендации

  1. ^ Schaff J, Fink CC, Slepchenko B, Carson JH, Loew LM (сентябрь 1997 г.). «Общая вычислительная среда для моделирования клеточной структуры и функции». Биофизический журнал. 73 (3): 1135–46. Bibcode:1997BpJ .... 73.1135S. Дои:10.1016 / S0006-3495 (97) 78146-3. ЧВК  1181013. PMID  9284281.
  2. ^ «Отображение механизмов на основе жизни». Хартфорд Курант. 23 февраля 1999 г.. Получено 19 марта 2012.
  3. ^ Loew LM, Schaff JC (октябрь 2001 г.). «Виртуальная ячейка: программная среда для вычислительной клеточной биологии». Тенденции в биотехнологии. 19 (10): 401–6. Дои:10.1016 / S0167-7799 (01) 01740-1. PMID  11587765.
  4. ^ Коуэн А.Е., Морару II, Шафф Дж.К., Слепченко Б.М., Лёв Л.М. (2012). «Пространственное моделирование сотовых сигнальных сетей». Методы клеточной биологии. Эльзевир. 110: 195–221. Дои:10.1016 / b978-0-12-388403-9.00008-4. ISBN  9780123884039. ЧВК  3519356. PMID  22482950.
  5. ^ Морару II, Шафф Дж.С., Слепченко Б.М., Блинов М.Л., Морган Ф., Лакшминараяна А., Гао Ф., Ли И, Лоу Л.М. (сентябрь 2008 г.). «Программная среда моделирования и моделирования виртуальных ячеек». Системная биология ИЭПП. 2 (5): 352–62. Дои:10.1049 / iet-syb: 20080102. ЧВК  2711391. PMID  19045830.
  6. ^ «VCell - виртуальная ячейка». Центр здоровья UConn. Получено 22 марта 2012.
  7. ^ Блинов ML, Schaff JC, Vasilescu D, Moraru II, Bloom JE, Loew LM (октябрь 2017 г.). «Компартментное и пространственное моделирование на основе правил с виртуальной ячейкой». Биофизический журнал. 113 (7): 1365–1372. Дои:10.1016 / j.bpj.2017.08.022. ЧВК  5627391. PMID  28978431.
  8. ^ «Смолдын: пространственный стохастический симулятор сетей химических реакций». Получено 23 марта 2012.
  9. ^ «Архитектура программного обеспечения VCell - Спецификация VCML». Получено 23 марта 2012.
  10. ^ "Язык разметки системной биологии (SBML)". Получено 23 марта 2012.
  11. ^ «BioPAX - Обмен биологическими путями». Получено 23 марта 2012.
  12. ^ «База данных биомоделей - база данных аннотированных опубликованных моделей». Получено 23 марта 2012.
  13. ^ "Pathway Commons". Получено 23 марта 2012.
  14. ^ «ЮниПрот». Получено 23 марта 2012.
  15. ^ «Химические объекты, представляющие биологический интерес (ChEBI)». Получено 23 марта 2012.
  16. ^ "Центр клеточного анализа и моделирования им. Ричарда Д. Берлина (CCAM)". Получено 23 марта 2012.

внешняя ссылка