Virtuell cell
| Initial release | 11 oktober 1999 |
|---|---|
| Stabil frisättning | 7.4 / Mars 2021
|
| Förvar | |
| Skrivet i | Java , C++ , Perl |
| Operativ system | Windows , macOS , Linux |
| Plattform | IA-32 , x64 |
| Licens | MIT-licens |
| Hemsida |
Virtual Cell (VCell) är en mjukvaruplattform med öppen källkod för modellering och simulering av levande organismer, främst celler . Den har designats för att vara ett verktyg för ett brett spektrum av forskare, från experimentella cellbiologer till teoretiska biofysiker .
Begrepp
Virtual Cell är en avancerad mjukvaruplattform för modellering och simulering av reaktionskinetik, membrantransport och diffusion i de komplexa geometrierna hos celler och flercelliga vävnader. VCell-modeller har en hierarkisk trädstruktur. Stamnivån är " Fysiologi " som består av fack, arter och kemiska reaktioner och reaktionshastigheter som är funktioner av koncentrationer. Givet initiala koncentrationer av arter kan VCell beräkna hur dessa koncentrationer förändras över tiden. Hur dessa numeriska simuleringar utförs bestäms genom ett antal " applikationer ", som specificerar om simuleringar kommer att vara deterministiska eller stokastiska, och rumsliga eller kompartmentella; flera "applikationer" kan också specificera initiala koncentrationer, diffusionskoefficienter, flödeshastigheter och en mängd olika modelleringsantaganden. Således kan " applikationer " ses som beräkningsexperiment för att testa idéer om det fysiologiska systemet. Varje " applikation " motsvarar en matematisk beskrivning, som automatiskt översätts till VCell Math Description Language. Flera " simuleringar ", inklusive parameterskanningar och ändringar i lösarens specifikationer, kan köras inom varje " applikation ".
Modeller kan sträcka sig från det enkla till det mycket komplexa och kan representera en blandning av experimentella data och rent teoretiska antaganden.
Den virtuella cellen kan användas som en distribuerad applikation över Internet eller som en fristående applikation. Det grafiska användargränssnittet tillåter konstruktion av komplexa modeller i biologiskt relevanta termer: fackdimensioner och form, molekylära egenskaper och interaktionsparametrar. VCell omvandlar den biologiska beskrivningen till ett ekvivalent matematiskt system av differentialekvationer. Användare kan växla fram och tillbaka mellan den schematiska biologiska vyn och den matematiska vyn i det gemensamma grafiska gränssnittet. Om användarna så önskar kan de faktiskt manipulera den matematiska beskrivningen direkt och kringgå den schematiska vyn. VCell tillåter användare att välja mellan numeriska lösare för att översätta den matematiska beskrivningen till mjukvarukod som exekveras för att utföra simuleringarna. Resultaten kan visas online, eller så kan de laddas ner till användarens dator i en mängd olika exportformat. Virtual Cell-licensen ger fri tillgång till alla medlemmar av det vetenskapliga samfundet.
Användare kan spara sina modeller i VCell DataBase, som underhålls på servrar i U. Connecticut. VCell-databasen använder ett åtkomstkontrollsystem med behörigheter för att tillåta användare att behålla sina modeller privata, dela dem med utvalda medarbetare eller göra dem offentliga. Webbplatsen VCell har en sökbar lista över modeller som är offentliga och associerade med forskningspublikationer.
Funktioner
VCell stöder följande funktioner:
- Inom " Fysiologi " kan modeller specificeras som reaktionsnätverk eller reaktionsregler.
- Simuleringar kan väljas för att antingen lösa variationer av koncentrationer över rymden ( spatiala simuleringar ) eller anta konstanta koncentrationer över fack ( kompartmentsimuleringar) .
- För rumsliga simuleringar kan geometrier specificeras med analytiska geometriekvationer , härledda från en kombination av enkla former eller härledda från importerade bilder, såsom 3D-konfokala mikroskopstaplar. Verktyg för 3D-segmentering av bilddata i regioner som kärna, mitokondrier, cytosol och extracellulärt tillhandahålls.
- Simuleringar kan baseras på antingen integration av differentialekvationer utan användning av slumptal ( deterministiska simuleringar ) eller baseras på slumpmässiga händelser ( stokastiska simuleringar) .
- Simuleringar kan köras med en mängd olika lösare inklusive: 6 lösare för vanliga differentialekvationer (ODE), 2 lösare för partiella differentialekvationer (PDE), 4 icke-spatiala stokastiska lösare och Smoldyn för stokastiska rumsliga simuleringar. VCell erbjuder också en hybrid deterministisk/stokastisk rumslig lösare för situationer där vissa arter är närvarande i lågt antal kopior och andra är närvarande i högt antal kopior. Senast gjordes en nätverksfri lösare, NFSim , tillgänglig för stokastisk simulering av stora kombinatoriskt komplexa regelbaserade modeller. De flesta lösare kan köras lokalt, alla lösare kan köras på distans på VCell-servrar.
- För kompartmentdeterministiska modeller kan de bästa parametervärdena för att passa experimentella data uppskattas med hjälp av algoritmer utvecklade av mjukvarusystemet COPASI . Dessa verktyg är tillgängliga i VCell.
- Modeller och simuleringsinställningar (så kallade Applications ) kan lagras i lokala filer som Virtual Cell Markup Language (VCML) eller lagras på distans i VCell-databasen.
- Modeller kan importeras och exporteras som Systems Biology Markup Language (SBML)
- Biologiska vägar kan importeras som Biological Pathway Exchange (BioPAX) för att bygga och kommentera modeller.
VCell tillåter användare integrerad åtkomst till en mängd olika källor för att hjälpa till att bygga och kommentera modeller:
- Modeller lagrade i VCell-databasen kan göras tillgängliga av deras författare för vissa användare ( delade ) eller alla användare ( offentliga ).
- VCell kan importera modeller från BioModels Database .
- Biologiska vägar kan importeras från Pathway Commons .
- Modellelement kan annoteras med ID från Pubmed UniProt ( proteiner ) KEGG (reaktioner och arter), GeneOntology (reaktioner och arter), Reactome (reaktioner och arter) och ChEBI (mestadels små molekyler).
Utveckling
Den virtuella cellen utvecklas vid R. D Berlin Center for Cell Analysis and Modeling vid University of Connecticut Health Center . Teamet finansieras i första hand genom forskningsanslag genom National Institutes of Health .