가상 셀

Virtual Cell
가상 셀
초기 릴리즈1999년 10월 11일; 22년 전(1999-10-11)
안정적 해제
7.4 / 2021년 3월; 1년 전(2021-03)
리포지토리github.com/virtualcell/vcell
기록 위치Java, C++, Perl
운영 체제Windows, MacOS, Linux
플랫폼IA-32, x64
면허증MIT 면허
웹사이트vcell.org

VCell(Virtual Cell)[1][2][3][4]은 생명체, 주로 세포의 모델링과 시뮬레이션을 위한 오픈 소스 소프트웨어 플랫폼이다.그것은 실험 세포 생물학자들부터 이론 생물 물리학자들까지 광범위한 과학자들을 위한 도구로 고안되었다.[5]

개념

Virtual Cell은 세포와 다세포 조직의 복잡한 기하학적 구조에서 반응 운동학, 멤브레인 이동 및 확산을 모델링하고 시뮬레이션하는 고급 소프트웨어 플랫폼이다.VCell 모델은 계층적 트리 구조를 가지고 있다.트렁크 레벨은 구획, 종, 화학 반응, 농도의 기능인 반응률 등으로 구성된 '생리학'이다.초기 종의 농도를 감안하여 VCell은 이러한 농도가 시간에 따라 어떻게 변화하는지 계산할 수 있다.이러한 수치 시뮬레이션을 수행하는 방법은 시뮬레이션이 결정론적 또는 확률적, 공간적 또는 구획적 여부를 지정하는 다수의 "응용프로그램"을 통해 결정되며, 다중 "응용프로그램"은 초기 농도, 확산 계수, 유량 및 다양한 모델링 가정을 지정할 수 있다.따라서 "응용 프로그램"은 생리학적 시스템에 대한 아이디어를 시험하기 위한 계산 실험으로 볼 수 있다.각 "응용프로그램"은 수학적인 설명에 해당하며, 이는 VCell Math Description Language로 자동 번역된다.파라미터 스캔, 해결사 사양 변경 등 복수의 "시뮬레이션"을 각 "응용프로그램" 내에서 실행할 수 있다.

모델은 단순한 것에서부터 매우 복잡한 것까지 다양할 수 있으며, 실험 데이터와 순수하게 이론적인 가정들의 혼합을 나타낼 수 있다.

가상 셀은 인터넷을 통해 분산된 애플리케이션 또는 독립 실행형 애플리케이션으로 사용될 수 있다.그래픽 사용자 인터페이스는 구획 치수와 형상, 분자 특성 및 상호작용 매개변수 등 생물학적으로 관련된 용어로 복잡한 모델을 구축할 수 있다.VCell은 생물학적 설명을 미분 방정식의 등가 수학적 체계로 변환한다.사용자는 공통 그래픽 인터페이스에서 도식화된 생물학적 보기와 수학적 보기 사이를 왔다 갔다 전환할 수 있다.실제로 사용자가 원할 경우 도식화된 보기를 우회하여 수학적 설명을 직접 조작할 수 있다.VCell은 사용자가 수학적 설명을 소프트웨어 코드로 변환하여 시뮬레이션을 수행하기 위해 실행할 수 있는 숫자 해결기를 선택할 수 있도록 한다.결과는 온라인으로 표시하거나 사용자의 컴퓨터에 다양한 내보내기 형식으로 다운로드할 수 있다.버추얼 셀 면허는 과학계의 모든 구성원들에게 무료 접근을 허용한다.[6]

사용자는 모델을 U. 코네티컷 주의 서버에 유지되는 VCell DataBase에 저장할 수 있다.VCell Database는 사용자가 자신의 모델을 비공개로 유지하거나, 선택된 공동작업자와 공유하거나, 공개하는 권한을 가진 액세스 제어 시스템을 사용한다.VCell 웹사이트는 공개적이고 연구 간행물과 관련된 검색 가능한 모델 목록을 유지한다.

VCell 모델은 대응 네트워크 또는 대응 규칙에 기초하여 공식화될 수 있다.모델은 결정론적, 확률론적 또는 복합적 결정론적/스토크스틱적, 비공간적 구획적, 반응 운동학만을 시뮬레이션하거나 확산과 흐름을 설명하는 명시적 공간 기하학적 구조를 사용하여 시뮬레이션할 수 있다.새로운 실험 특성은 기하학적 구조의 변화(상단)에서 반응-확산 모델을 허용한다.

특징들

VCell은 다음과 같은 기능을 지원한다.

  • "생리학" 내에서 모델은 반응 네트워크 또는 반응 규칙으로 지정될 수 있다.[7]
  • 시뮬레이션은 공간에 걸친 농도의 변화를 해결하거나(공간 시뮬레이션), 구획에 걸쳐 일정한 농도를 가정하기 위해 선택할 수 있다(아파트 시뮬레이션).
  • 공간 시뮬레이션을 위해 기하학은 단순한 형상의 조합에서 파생되거나 3D 콘포칼로컬 현미경 스택과 같은 가져온 이미지에서 파생되는 분석 기하 방정식에 의해 지정될 수 있다.핵, 미토콘드리아, 시토솔, 세포외 등의 영역으로 영상 데이터를 3D 분할하는 유틸리티가 제공된다.
  • 시뮬레이션은 무작위 숫자(결정론적 시뮬레이션)를 사용하지 않고 미분방정식의 통합에 기초하거나 무작위 사건(스토스틱 시뮬레이션)에 기초할 수 있다.
  • 시뮬레이션은 확률적 공간 시뮬레이션을 위한 일반 미분방정식(OSE) 해결사 6개, 부분 미분방정식(PDE) 해결사 2개, 비공간 확률적 해결사 4개, 스몰딘[8] 등 다양한 해결사를 사용하여 실행할 수 있다.VCell은 또한 어떤 종은 낮은 카피 번호로 존재하고 다른 종은 높은 카피 번호로 존재하는 상황을 위해 하이브리드 결정론적/스토크스틱 공간 해결기를 제공한다.가장 최근에는 네트워크 프리솔러인 NFSim이 결합기적으로 복잡한 규칙 기반 모델의 확률적 시뮬레이션을 위해 사용 가능하게 되었다.대부분의 솔버들은 로컬에서 실행될 수 있고, 모든 솔버들은 VCell 서버에서 원격으로 실행될 수 있다.
  • 구획 결정론적 모델의 경우 COPASI 소프트웨어 시스템에서 개발한 알고리즘을 사용하여 실험 데이터에 적합한 최적의 매개변수 값을 추정할 수 있다.이러한 도구는 VCell에서 사용할 수 있다.
  • 모델과 시뮬레이션 설정( 이른바 애플리케이션)은 VCML(Virtual Cell Markup Language)[9]으로 로컬 파일에 저장하거나 VCell 데이터베이스에 원격으로 저장할 수 있다.
  • 모델을 SBML([10]Systems Biology Markup Language)로 가져오고 내보낼 수 있음
  • 생물학적 경로는 BioPAX([11]Biological Pathway Exchange)로 가져와 모델을 구축하고 주석을 달 수 있다.

생물학적 및 관련 데이터 소스

VCell은 사용자가 다양한 소스에 대한 통합 액세스를 통해 모델을 제작하고 주석을 달 수 있도록 한다.

개발

가상 셀은 코네티컷 대학 보건소의 세포 분석 및 모델링을 위한 R. D 베를린 센터에서 개발되고 있다.[16]그 팀은 주로 국립보건원을 통한 연구비를 통해 자금을 조달받는다.

참조

  1. ^ Schaff J, Fink CC, Slepchenko B, Carson JH, Loew LM (September 1997). "A general computational framework for modeling cellular structure and function". Biophysical Journal. 73 (3): 1135–46. Bibcode:1997BpJ....73.1135S. doi:10.1016/S0006-3495(97)78146-3. PMC 1181013. PMID 9284281.
  2. ^ "Mapping The Mechanisms At The Basis Of Life". Hartford Courant. 23 February 1999. Retrieved 19 March 2012.
  3. ^ Loew LM, Schaff JC (October 2001). "The Virtual Cell: a software environment for computational cell biology". Trends in Biotechnology. 19 (10): 401–6. doi:10.1016/S0167-7799(01)01740-1. PMID 11587765.
  4. ^ Cowan AE, Moraru II, Schaff JC, Slepchenko BM, Loew LM (2012). "Spatial modeling of cell signaling networks". Methods in Cell Biology. Elsevier. 110: 195–221. doi:10.1016/b978-0-12-388403-9.00008-4. ISBN 9780123884039. PMC 3519356. PMID 22482950.
  5. ^ Moraru II, Schaff JC, Slepchenko BM, Blinov ML, Morgan F, Lakshminarayana A, Gao F, Li Y, Loew LM (September 2008). "Virtual Cell modelling and simulation software environment". IET Systems Biology. 2 (5): 352–62. doi:10.1049/iet-syb:20080102. PMC 2711391. PMID 19045830.
  6. ^ "VCell - The Virtual Cell". UConn Health Center. Retrieved 22 March 2012.
  7. ^ Blinov ML, Schaff JC, Vasilescu D, Moraru II, Bloom JE, Loew LM (October 2017). "Compartmental and Spatial Rule-Based Modeling with Virtual Cell". Biophysical Journal. 113 (7): 1365–1372. Bibcode:2017BpJ...113.1365B. doi:10.1016/j.bpj.2017.08.022. PMC 5627391. PMID 28978431.
  8. ^ "Smoldyn: a spatial stochastic simulator for chemical reaction networks". Retrieved 23 March 2012.
  9. ^ "VCell Software Architecture - VCML Specification". Retrieved 23 March 2012.
  10. ^ "Systems Biology Markup Language (SBML)". Retrieved 23 March 2012.
  11. ^ "BioPAX - Biological Pathway Exchange". Retrieved 23 March 2012.
  12. ^ "BioModels Database - A Database of Annotated Published Models". Retrieved 23 March 2012.
  13. ^ "Pathway Commons". Retrieved 23 March 2012.
  14. ^ "UniProt". Retrieved 23 March 2012.
  15. ^ "Chemical Entities of Biological Interest (ChEBI)". Retrieved 23 March 2012.
  16. ^ "The Richard D. Berlin Center for Cell Analysis and Modeling (CCAM)". Retrieved 23 March 2012.

외부 링크