Het programmeren van een moleculair biologisch experiment kan vergelijkbaar zijn met het spelen van Sudoku; beide zijn eenvoudig als je met slechts een paar moleculen of een klein raster werkt, maar ze exploderen in complexiteit als ze groeien. Nutsvoorzieningen, in een paper gepubliceerd op 3 oktober in de Biofysisch tijdschrift , onderzoekers van UConn Health's Virtual Cell Project (vcell.org) hebben het voor celbiologen veel gemakkelijker gemaakt om complexe biologische modellen te bouwen.

De virtuele cel, of VCell zoals het bekend is, is een softwareplatform dat de meest uitgebreide reeks modellerings- en simulatiemogelijkheden voor celbiologie ter wereld biedt. Het stelt biologen zonder sterke wiskundige of computerprogrammeervaardigheden in staat om modellen te bouwen en te simuleren hoe een cel functioneert. VCell kwam bijna 20 jaar geleden voor het eerst online, in 1998, en het UConn Health-team onder leiding van biofysicus Leslie Loew heeft het sindsdien ontwikkeld en onderhouden. Met behulp van VCell, een bioloog kan voorspellen wat er gebeurt als een bepaald medicijn een filtratiecel in de nier tegenkomt, bijvoorbeeld, of hoe een hemoglobinemolecuul in een rode bloedcel omgaat met een piek in kooldioxide.

Maar tot nu toe, een bioloog had nog steeds sterke programmeervaardigheden nodig om gedetailleerde celmodellen op moleculair niveau te maken, en zelfs meer dan dat, geduld. Elk molecuul dat bij een model betrokken is, heeft een bepaald aantal toestanden, of dingen die het kan doen en plaatsen waar het kan zijn. Elke mogelijke combinatie van moleculen en hun toestanden moest met de hand worden gecodeerd. En naarmate het aantal bewegende delen toeneemt, het aantal regels computercode doen, te. Als u de grootte van een Sudoku-raster vergroot tot negen bij negen, je hebt plotseling 6,7 triljoen mogelijke scenario's ... en je krijgt een idee van de nachtmerrie waar moleculair biologen mee te maken kregen toen ze probeerden zelfs een enigszins complex biologisch systeem te coderen. De algemene naam voor dit probleem is een "combinatorische explosie, "en de oplossing daarvoor, genaamd "op regels gebaseerde modellering, " is 12 jaar geleden ontwikkeld door VCell-teamlid Michael Blinov en collega's James Faeder en William Hlavacek, die allemaal in die tijd bij Los Alamos National Laboratory werkten.

Echter, elke modelleur die op regels gebaseerde modellering gebruikt, kreeg te maken met een complicatie. Het programma dat de interacties tussen moleculen beschrijft, moest in tekst worden uitgeschreven. In dit tijdperk van iPhones en computers kun je navigeren met vegen en klikken, iedereen verwacht dat een computer een prachtige grafische interface heeft. Tot nu, het gebruik van op regels gebaseerde modellering was niet zo. Het leek meer op de tekstopdrachtvakken die u kunt oproepen als u snel door het lef van uw machine moet navigeren. Maar het wordt snel vermoeiend, en fouten opsporen in duizenden regels van repetitieve, bijna-maar-niet-helemaal identieke code kan gekmakend zijn. Celbiologische modellen worden al snel zo onpraktisch dat alleen een ervaren modelleur of programmeur ze aankan. Dit sterk beperkt wie een dergelijke modellering zou kunnen gebruiken.

"Voordat, alleen programmeurs of ervaren modelbouwers kunnen op regels gebaseerde modellen maken om details van moleculaire interacties te beschrijven, ", zegt Loew. "We wilden op regels gebaseerde modellering beschikbaar maken voor de celbiologen die het echt nodig hebben."

Loew en het VCell-team van Michael Blinov, Ion Moraru, James Schaf, en Dan Vasilescu besloten om dingen gemakkelijker te maken. In hun nieuwe krant ze beschrijven een gebruikersinterface voor VCell die gekleurde vormen gebruikt om moleculen weer te geven. De vormen lijken een beetje op gekleurde bakstenen. Bubbels tonen bindingsplaatsen, en lijnen tonen verbanden tussen moleculen. De links kunnen ook verschillende kleuren en vormen hebben om verschillende interacties weer te geven. Een eenvoudig model dat hemoglobine beschrijft, lijkt op een kaart of bedradingsschema.

In plaats van duizenden regels code te schrijven, biologen die VCell gebruiken, kunnen nu gewoon hun moleculen definiëren en aan VCell uitleggen hoe ze met elkaar kunnen interageren. De bioloog hoeft zich geen zorgen te maken over de combinatorische explosie. De computer - alle 60 teraflops, 3, 000 verwerkers, en 2 petabyte aan opslagruimte die wordt gehost in het cel- en genoomgebouw van UConn Health - handelt het af.

Loew en Blinov geloven dat de nieuwe versie van VCell het aantal mensen dat op regels gebaseerde modellering kan gebruiken drastisch zal uitbreiden. Dit komt omdat het wetenschappers in staat stelt om de uitgebreide set simulatiemethoden die beschikbaar zijn in VCell met op regels gebaseerde modellen in een enkele, Verenigd, gebruiksvriendelijke softwareomgeving.

Nutsvoorzieningen, een getrainde bioloog zou een dag de tijd moeten kunnen nemen om de tutorials op de site door te nemen en genoeg te leren om erachter te komen hoe een nieuw probleem op VCell kan worden gemodelleerd. Eerder, het waren er ongeveer 5 800 actieve gebruikers van VCell wereldwijd (u kunt overal inloggen met een internetverbinding). Die modelbouwers hadden 76 gemaakt, 600 modellen en lopen ongeveer 479, 000 verschillende simulaties erop. Deze simulaties testen alles, van of een bepaalde mutatie kanker veroorzaakt tot hoe een nieuw medicijn kan interageren met het hart. En met de nieuw uitgebrachte versie van VCell, het aantal actieve gebruikers moet toenemen.

Tot dusver, VCell heeft niet geholpen met een Sudoku-spel. Maar misschien schrijft iemand daar gewoon een model voor.