VCell

VCell (Virtual Cell) ^{[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ]} es una plataforma de software de código abierto para el modelado y la simulación de organismos vivos , principalmente células . Ha sido diseñada para ser una herramienta para una amplia gama de científicos, desde biólogos celulares experimentales hasta biofísicos teóricos . ^{[ 5 ]}

VCell es una plataforma de software avanzada para modelar y simular la cinética de reacciones, el transporte de membrana y la difusión en las complejas geometrías de células y tejidos multicelulares. Los modelos de VCell tienen una estructura jerárquica en forma de árbol. El nivel del tronco es la " Fisiología ", que consta de compartimentos, especies y reacciones químicas, y velocidades de reacción que son funciones de las concentraciones. Dadas las concentraciones iniciales de las especies, VCell puede calcular cómo cambian estas concentraciones con el tiempo. La forma en que se realizan estas simulaciones numéricas se determina mediante varias " Aplicaciones ", que especifican si las simulaciones serán deterministas o estocásticas, y espaciales o compartimentales; múltiples "Aplicaciones" también pueden especificar concentraciones iniciales, coeficientes de difusión, caudales y diversas suposiciones de modelado. Por lo tanto, las " Aplicaciones " pueden considerarse experimentos computacionales para probar ideas sobre el sistema fisiológico. Cada " Aplicación " corresponde a una descripción matemática, que se traduce automáticamente al lenguaje de descripción matemática de VCell. Se pueden ejecutar múltiples " Simulaciones ", incluyendo escaneos de parámetros y cambios en las especificaciones del solucionador, dentro de cada " Aplicación ".

Los modelos pueden variar desde los más simples hasta los más complejos, y pueden representar una mezcla de datos experimentales y supuestos puramente teóricos.

VCell puede utilizarse como una aplicación distribuida a través de Internet o como una aplicación independiente. La interfaz gráfica de usuario permite la construcción de modelos complejos en términos biológicamente relevantes: dimensiones y forma de los compartimentos, características moleculares y parámetros de interacción. VCell convierte la descripción biológica en un sistema matemático equivalente de ecuaciones diferenciales. Los usuarios pueden alternar entre la vista biológica esquemática y la vista matemática en la interfaz gráfica común. De hecho, si lo desean, pueden manipular la descripción matemática directamente, sin pasar por la vista esquemática. VCell ofrece a los usuarios la posibilidad de elegir entre diversos solucionadores numéricos para traducir la descripción matemática a código de software que se ejecuta para realizar las simulaciones. Los resultados pueden visualizarse en línea o descargarse al ordenador del usuario en una amplia variedad de formatos de exportación. La licencia de Virtual Cell permite el acceso gratuito a todos los miembros de la comunidad científica. ^{[ 6 ]}

Los usuarios pueden guardar sus modelos en la base de datos VCell, alojada en servidores de la Universidad de Connecticut. La base de datos VCell utiliza un sistema de control de acceso con permisos que permiten a los usuarios mantener sus modelos privados, compartirlos con colaboradores seleccionados o hacerlos públicos. El sitio web de VCell mantiene una lista consultable de modelos públicos asociados a publicaciones de investigación.

VCell admite las siguientes características:

• Dentro de la " Fisiología ", los modelos pueden especificarse como redes de reacción o reglas de reacción. ^{[ 7 ]}
• Se pueden elegir simulaciones para resolver variaciones de concentraciones en el espacio ( simulaciones espaciales ) o asumir concentraciones constantes en todos los compartimentos ( simulaciones compartimentales ).
• Para simulaciones espaciales, las geometrías se pueden especificar mediante ecuaciones de geometría analítica , derivadas de la combinación de formas simples o de imágenes importadas, como pilas de imágenes de microscopio confocal 3D. Se proporcionan utilidades para la segmentación 3D de datos de imagen en regiones como núcleo, mitocondrias, citosol y espacio extracelular.
• Las simulaciones pueden basarse en la integración de ecuaciones diferenciales sin el uso de números aleatorios ( simulaciones deterministas ) o en eventos aleatorios ( simulaciones estocásticas ).
• Las simulaciones pueden ejecutarse utilizando diversos solucionadores, entre los que se incluyen: 6 solucionadores de ecuaciones diferenciales ordinarias (EDO), 2 solucionadores de ecuaciones diferenciales parciales (EDP), 4 solucionadores estocásticos no espaciales y Smoldyn ^{[ 8 ]} para simulaciones espaciales estocásticas. VCell también ofrece un solucionador espacial híbrido determinista/estocástico para situaciones en las que algunas especies están presentes en baja cantidad y otras en alta cantidad. Recientemente, se ha puesto a disposición un solucionador sin red, NFSim , para la simulación estocástica de modelos basados ​​en reglas, grandes y combinatoriamente complejos. La mayoría de los solucionadores pueden ejecutarse localmente, y todos pueden ejecutarse remotamente en servidores VCell.
• Para los modelos deterministas compartimentales, los mejores valores de los parámetros para ajustar los datos experimentales pueden estimarse mediante algoritmos desarrollados por el software COPASI . Estas herramientas están disponibles en VCell.
• Los modelos y las configuraciones de simulación (denominadas aplicaciones ) se pueden almacenar en archivos locales como lenguaje de marcado de celda virtual (VCML) ^{[ 9 ]} o almacenarse de forma remota en la base de datos VCell.
• Los modelos se pueden importar y exportar como lenguaje de marcado de biología de sistemas (SBML) ^{[ 10 ].}
• Las vías biológicas se pueden importar como Biological Pathway Exchange (BioPAX) ^{[ 11 ]} para construir y anotar modelos.

VCell permite a los usuarios un acceso integrado a diversas fuentes para ayudarles a construir y anotar modelos:

• Los modelos almacenados en la base de datos VCell pueden ser puestos a disposición por sus autores para algunos usuarios ( compartidos ) o para todos los usuarios ( públicos ).
• VCell puede importar modelos de la base de datos BioModels . ^{[ 12 ]}
• Las rutas biológicas se pueden importar desde Pathway Commons . ^{[ 13 ]}
• Los elementos del modelo pueden anotarse con identificadores de Pubmed UniProt ( proteínas ) ^{[ 14 ]} KEGG (reacciones y especies) GeneOntology (reacciones y especies), Reactome (reacciones y especies) y ChEBI (principalmente moléculas pequeñas). ^{[ 15 ]}

VCell se está desarrollando en el Centro R. D. Berlin para el Análisis y Modelado Celular en el Centro de Salud de la Universidad de Connecticut . ^{[ 16 ]} El equipo se financia principalmente a través de subvenciones de investigación de los Institutos Nacionales de Salud .

• Lista de software de modelado de biología de sistemas
• Célula virtual

• Página principal de VCell
• Descarga de VCell
• Foro de usuarios de VCell
• Modelos de células V en publicaciones
• Tutorial sobre cómo usar VCell en YouTube .
• Código fuente en GitHub