Virtual Cell (VCell) [1] [2] [3] [4] - это программная платформа с открытым исходным кодом для моделирования и моделирования живых организмов , в первую очередь клеток . Он был разработан как инструмент для широкого круга ученых, от экспериментальных клеточных биологов до биофизиков- теоретиков . [5]
Первый выпуск | 11 октября 1999 г . |
---|---|
Стабильный выпуск | 7.1 / ноябрь 2018 г . |
Репозиторий | GitHub |
Написано в | Java , C ++ , Perl |
Операционная система | Windows , macOS , Linux |
Платформа | IA-32 , x64 |
Лицензия | Лицензия MIT |
Веб-сайт | vcell |
Концепция
Модели VCell имеют иерархическую древовидную структуру. Уровень ствола - это « физиология », состоящая из компартментов, видов и химических реакций, а также скоростей реакций, которые являются функциями концентраций. Учитывая начальные концентрации видов, VCell может рассчитать, как эти концентрации меняются с течением времени. Как выполняется это численное моделирование, определяется с помощью ряда « Приложений », которые определяют, будет ли моделирование детерминированным или стохастическим, пространственным или компартментальным; В нескольких «приложениях» также можно указать начальные концентрации, коэффициенты диффузии, скорости потока и различные допущения при моделировании. Таким образом, « приложения » можно рассматривать как вычислительные эксперименты для проверки представлений о физиологической системе. Каждое « приложение » соответствует математическому описанию, которое автоматически переводится на язык математического описания VCell. В каждом « приложении » можно запустить несколько « симуляций », включая сканирование параметров и изменения в спецификациях решателя .
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 интерфейс пользователя 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 манипулировать математическим описанием, минуя схематический вид. VCell позволяет пользователям выбирать числовые решатели для перевода 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 частными, делиться ими с избранными соавторами или делать их общедоступными. На веб-сайте VCell есть доступный для поиска список моделей, которые являются общедоступными и связаны с исследовательскими публикациями.
Функции
VCell поддерживает следующие функции:
- В рамках « Физиологии » модели могут быть определены как реакционные сети или правила реакции. [7]
- Моделирование может быть выбрано либо для разрешения вариаций концентраций в пространстве ( пространственное моделирование ), либо для допущения постоянных концентраций в разных компартментах ( компартментное моделирование ).
- Для пространственного моделирования геометрия может быть задана уравнениями аналитической геометрии , полученными из комбинации простых форм или полученными из импортированных изображений, таких как наборы трехмерных конфокальных микроскопов. Предоставляются утилиты для трехмерной сегментации данных изображения на такие области, как ядро, митохондрии, цитозоль и внеклеточные.
- Моделирование может быть основано либо на интегрировании дифференциальных уравнений без использования случайных чисел ( детерминированное моделирование ), либо на случайных событиях ( стохастическое моделирование ).
- Моделирование может выполняться 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 одни виды присутствуют в небольшом количестве копий, а другие - в большом количестве копий. Совсем недавно для стохастического моделирования больших комбинаторно сложных моделей, основанных на правилах , стал доступен сетевой решатель NFSim . 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 программной системой COPASI . Эти инструменты доступны в VCell.
- Модели и настройки моделирования (так называемые приложения ) могут храниться в локальных файлах как язык разметки виртуальных ячеек (VCML) [9] или храниться удаленно в базе данных VCell.
- Модели можно импортировать и экспортировать как язык разметки системной биологии (SBML) [10]
- Биологические пути можно импортировать как Biological Pathway Exchange (BioPAX) [11] для построения и аннотирования моделей.
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 ( совместно используемых ) или всех пользователей ( общедоступных ).
- VCell может импортировать модели из базы 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 ChEBI (в основном небольшие молекулы). [15]
Разработка
Virtual Cell разрабатывается на R. D берлинского Центра для сотового анализа и моделирования в университете Центра здоровья Коннектикута . [16] Команда в основном финансируется за счет исследовательских грантов Национальных институтов здравоохранения .
Рекомендации
- ↑ Schaff J, Fink CC, Slepchenko B, Carson JH, Loew LM (сентябрь 1997 г.). «Общая вычислительная основа для моделирования клеточной структуры и функции» . Биофизический журнал . 73 (3): 1135–46. Bibcode : 1997BpJ .... 73.1135S . DOI : 10.1016 / S0006-3495 (97) 78146-3 . PMC 1181013 . PMID 9284281 .
- ^ «Картирование механизмов на основе жизни» . Хартфорд Курант. 23 февраля 1999 . Проверено 19 марта 2012 года .
- ^ Loew LM, Schaff JC (октябрь 2001 г.). «Виртуальная ячейка: программная среда для вычислительной клеточной биологии». Тенденции в биотехнологии . 19 (10): 401–6. DOI : 10.1016 / S0167-7799 (01) 01740-1 . PMID 11587765 .
- ^ Коуэн А.Е., Морару II, Шафф Дж.С., Слепченко Б.М., Лёв Л.М. (2012). «Пространственное моделирование сотовых сигнальных сетей» . Методы клеточной биологии . Эльзевир. 110 : 195–221. DOI : 10.1016 / b978-0-12-388403-9.00008-4 . ISBN 9780123884039. PMC 3519356 . PMID 22482950 .
- ^ Морару II, Шафф Дж. К., Слепченко Б. М., Блинов М. Л., Морган Ф., Лакшминараяна А., Гао Ф., Ли И, Лоу Л. М. (сентябрь 2008 г.). «Виртуальная ячейка моделирования и программная среда моделирования» . Системная биология ИЭПП . 2 (5): 352–62. DOI : 10,1049 / МТВ-НСБ: 20080102 . PMC 2711391 . PMID 19045830 .
- ^ «VCell - виртуальная ячейка» . Центр здоровья UConn . Проверено 22 марта 2012 года .
- ^ 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. Bibcode : 2017BpJ ... 113.1365B . DOI : 10.1016 / j.bpj.2017.08.022 . PMC 5627391 . PMID 28978431 .
- ^ «Смолдын: пространственный стохастический симулятор сетей химических реакций» . Проверено 23 марта 2012 года .
- ^ "Архитектура программного обеспечения VCell - Спецификация VCML" . Проверено 23 марта 2012 года .
- ^ "Язык разметки системной биологии (SBML)" . Проверено 23 марта 2012 года .
- ^ «BioPAX - Обмен биологическими путями» . Проверено 23 марта 2012 года .
- ^ «База данных биомоделей - база данных аннотированных опубликованных моделей» . Проверено 23 марта 2012 года .
- ^ "Путь общин" . Проверено 23 марта 2012 года .
- ^ «ЮниПрот» . Проверено 23 марта 2012 года .
- ^ «Химические объекты, представляющие биологический интерес (ChEBI)» . Проверено 23 марта 2012 года .
- ^ "Центр клеточного анализа и моделирования им. Ричарда Д. Берлина (CCAM)" . Проверено 23 марта 2012 года .
Внешние ссылки
- Домашняя страница VCell
- VCell Скачать
- Форум пользователей VCell
- Модели VCell в публикациях
- Учебник по использованию VCell на YouTube .
- Исходный код на GitHub