Sundhedsforskere visualiserer et liv i silico

Programmering af et molekylærbiologisk eksperiment kan svare til at spille Sudoku; begge er enkle, hvis du kun arbejder med nogle få molekyler eller et lille gitter, men de eksploderer i kompleksitet, når de vokser. Nu, i et papir offentliggjort den 3. oktober i Biofysisk tidsskrift , forskere ved UConn Healths Virtual Cell Project (vcell.org) har gjort det langt lettere for cellebiologer at bygge komplekse biologiske modeller.

Den virtuelle celle, eller VCell som det er kendt, er en softwareplatform, der tilbyder det mest omfattende sæt af modellerings- og simuleringsmuligheder for cellebiologi i verden. Det giver biologer uden stærke matematik- eller computerprogrammeringsfærdigheder mulighed for at bygge modeller og simulere, hvordan en celle fungerer. VCell kom først online for næsten 20 år siden, i 1998, og UConn Health-teamet ledet af biofysiker Leslie Loew har udviklet og vedligeholdt det siden. Ved hjælp af VCell, en biolog kan forudsige, hvad der sker, når et bestemt lægemiddel støder på en filtreringscelle i nyren, for eksempel, eller hvordan et hæmoglobinmolekyle i en rød blodcelle håndterer en stigning i kuldioxid.

Men indtil nu, en biolog havde stadig brug for stærke programmeringsevner for at lave detaljerede cellemodeller på molekylært niveau, og endnu mere end det, tålmodighed. Hvert molekyle involveret i en model har et bestemt antal tilstande, eller ting, den kan og steder, den kan være. Hver mulig kombination af molekyler og deres tilstande skulle kodes ud i hånden. Og efterhånden som antallet af bevægelige dele stiger, antallet af linjer med computerkode gør, også. Hvis du øger størrelsen af ​​et Sudoku-gitter til ni gange ni, du har pludselig 6,7 sexbillioner mulige scenarier ... og du får en idé om det mareridt, molekylærbiologer stod over for, da de forsøgte at kode selv et lidt komplekst biologisk system. Det almindelige navn for dette problem er en "kombinatorisk eksplosion, "og løsningen på det, kaldet "regelbaseret modellering, "blev udviklet for 12 år siden af ​​VCell -teammedlem Michael Blinov og kolleger James Faeder og William Hlavacek, som alle arbejdede i den tid på Los Alamos National Laboratory.

Imidlertid, hver modelbygger, der brugte regelbaseret modellering, stod over for en komplikation. Programmet, der beskriver interaktioner mellem molekyler, skulle skrives i tekst. I denne tid med iPhones og computere kan du navigere med stryg og klik, alle forventer, at en computer har en smuk grafisk grænseflade. Indtil nu, at bruge regelbaseret modellering var ikke sådan. Det lignede mere de tekstkommandofelter, du kan kalde frem, hvis du har brug for at navigere hurtigt på din maskine. Men det bliver hurtigt trættende, og fange fejl i tusinder af replikker, næsten-men-ikke-helt-identisk kode kan være vanvittigt. Cellebiologimodeller bliver hurtigt så uhåndterlige, at kun en erfaren modellerer eller programmør kan klare dem. Dette begrænsede kraftigt, hvem der kunne bruge sådan modellering.

"Før, kun programmører eller erfarne modelbyggere kunne skabe regelbaserede modeller til at beskrive detaljer om molekylære interaktioner, " siger Loew. "Vi ønskede at gøre regelbaseret modellering tilgængelig for de cellebiologer, der virkelig har brug for det."

Loew og VCell-teamet af Michael Blinov, Ion Moraru, James Schaff, og Dan Vasilescu besluttede at gøre tingene lettere. I deres nye papir, de beskriver en brugergrænseflade til VCell, der bruger farvede former til at repræsentere molekyler. Formerne ligner lidt farvede mursten. Bobler viser bindingssteder, og linjer viser forbindelser mellem molekyler. Linkene kan også have forskellige farver og former for at repræsentere forskellige interaktioner. En simpel model, der beskriver hæmoglobin, ligner et kort eller et ledningsdiagram.

I stedet for at skrive tusindvis af linjer kode, biologer, der bruger VCell, kan nu bare definere deres molekyler og forklare VCell, hvordan de kan interagere med hinanden. Biologen behøver ikke bekymre sig om den kombinatoriske eksplosion. Computeren - alle 60 teraflops, 3, 000 processorer, og 2 petabyte lagerplads hostet på UConn Healths Cell and Genome-bygning - håndterer det.

Loew og Blinov mener, at den nye version af VCell dramatisk vil udvide antallet af mennesker, der kan bruge regelbaseret modellering. Dette skyldes, at det giver forskere mulighed for at bruge det omfattende sæt af simuleringsmetoder, der er tilgængelige i VCell med regelbaserede modeller i en enkelt, forenet, brugervenligt softwaremiljø.

Nu, en uddannet biolog burde være i stand til at bruge en dag på at gennemgå tutorials på webstedet og lære nok til at finde ud af, hvordan man modellerer et nyt problem på VCell. Tidligere, der var omkring 5, 800 aktive brugere af VCell globalt (du kan logge på hvor som helst, der har en internetforbindelse). Disse modelbyggere havde skabt 76, 600 modeller og kører omkring 479, 000 forskellige simuleringer på dem. Disse simuleringer tester alt fra, om en bestemt mutation forårsager kræft til, hvordan et nyt lægemiddel kan interagere med hjertet. Og med den nyligt udgivne version af VCell, antallet af aktive brugere bør stige.

Indtil nu, VCell har ikke hjulpet med et Sudoku-spil. Men nogen skriver måske bare en model til det.