VCell

VCell (الخلية الافتراضية) ^{[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ]} هي منصة برمجية مفتوحة المصدر لنمذجة ومحاكاة الكائنات الحية ، وخاصة الخلايا . وقد صُممت لتكون أداةً لمجموعة واسعة من العلماء، من علماء الأحياء الخلوية التجريبية إلى علماء الفيزياء الحيوية النظرية . ^{[ 5 ]}

VCell هي منصة برمجية متطورة لنمذجة ومحاكاة حركية التفاعلات، ونقل المواد عبر الأغشية، والانتشار في الهياكل المعقدة للخلايا والأنسجة متعددة الخلايا. تتميز نماذج VCell ببنية شجرية هرمية. المستوى الرئيسي هو " علم وظائف الأعضاء " الذي يتكون من الحجيرات، والأنواع الكيميائية، والتفاعلات الكيميائية، ومعدلات التفاعل التي تعتمد على التركيزات. وبمعرفة التركيزات الأولية للأنواع الكيميائية، تستطيع VCell حساب كيفية تغير هذه التركيزات بمرور الوقت. يتم تحديد كيفية إجراء هذه المحاكاة العددية من خلال عدد من " التطبيقات "، التي تحدد ما إذا كانت المحاكاة حتمية أم عشوائية، ومكانية أم حجيرية؛ كما يمكن للعديد من "التطبيقات" تحديد التركيزات الأولية، ومعاملات الانتشار، ومعدلات التدفق، ومجموعة متنوعة من افتراضات النمذجة. وبالتالي، يمكن اعتبار " التطبيقات " بمثابة تجارب حسابية لاختبار الأفكار المتعلقة بالنظام الفيزيولوجي. يتوافق كل " تطبيق " مع وصف رياضي، يُترجم تلقائيًا إلى لغة وصف الرياضيات الخاصة بـ VCell. يمكن تشغيل عمليات " محاكاة " متعددة ، بما في ذلك عمليات مسح المعلمات والتغييرات في مواصفات الحل، داخل كل " تطبيق ".

يمكن أن تتراوح النماذج من البسيطة إلى المعقدة للغاية، ويمكن أن تمثل مزيجًا من البيانات التجريبية والافتراضات النظرية البحتة.

يمكن استخدام VCell كتطبيق موزع عبر الإنترنت أو كتطبيق مستقل. تتيح واجهة المستخدم الرسومية إنشاء نماذج معقدة بمصطلحات ذات صلة بيولوجية: أبعاد وشكل الحجيرات، والخصائص الجزيئية، ومعاملات التفاعل. يحوّل VCell الوصف البيولوجي إلى نظام رياضي مكافئ من المعادلات التفاضلية. يمكن للمستخدمين التبديل بين العرض البيولوجي التخطيطي والعرض الرياضي في واجهة المستخدم الرسومية. بل ويمكنهم، إذا رغبوا، معالجة الوصف الرياضي مباشرةً، متجاوزين العرض التخطيطي. يتيح VCell للمستخدمين اختيار حلول عددية لترجمة الوصف الرياضي إلى شفرة برمجية تُنفّذ لإجراء عمليات المحاكاة. يمكن عرض النتائج عبر الإنترنت، أو تنزيلها إلى جهاز المستخدم بصيغ تصدير متنوعة. تتيح رخصة Virtual Cell الوصول المجاني لجميع أعضاء المجتمع العلمي. ^{[ 6 ]}

يمكن للمستخدمين حفظ نماذجهم في قاعدة بيانات VCell، التي تُدار على خوادم جامعة كونيتيكت. تستخدم قاعدة بيانات VCell نظام تحكم في الوصول يتيح للمستخدمين إمكانية الحفاظ على خصوصية نماذجهم، أو مشاركتها مع متعاونين محددين، أو نشرها للعامة. يوفر موقع VCell الإلكتروني قائمة قابلة للبحث بالنماذج العامة والمرتبطة بالمنشورات البحثية.

يدعم VCell الميزات التالية:

• في مجال " علم وظائف الأعضاء "، يمكن تحديد النماذج على أنها شبكات تفاعل أو قواعد تفاعل. ^{[ 7 ]}
• يمكن اختيار عمليات المحاكاة إما لحل اختلافات التركيزات عبر المكان ( المحاكاة المكانية ) أو افتراض ثبات التركيزات عبر الأقسام ( المحاكاة القسمية ).
• في عمليات المحاكاة المكانية، يمكن تحديد الأشكال الهندسية باستخدام معادلات هندسية تحليلية ، مستمدة من دمج أشكال بسيطة أو من صور مستوردة، مثل صور مجهرية ثلاثية الأبعاد بتقنية المجهر متحد البؤر. كما تتوفر أدوات لتقسيم بيانات الصور ثلاثية الأبعاد إلى مناطق مثل النواة، والميتوكوندريا، والسيتوبلازم، والمنطقة خارج الخلوية.
• يمكن أن تستند عمليات المحاكاة إما إلى تكامل المعادلات التفاضلية دون استخدام الأرقام العشوائية ( المحاكاة الحتمية ) أو تستند إلى أحداث عشوائية ( المحاكاة العشوائية ).
• يمكن إجراء عمليات المحاكاة باستخدام مجموعة متنوعة من برامج الحل، بما في ذلك: 6 برامج لحل المعادلات التفاضلية العادية ، وبرنامجان لحل المعادلات التفاضلية الجزئية ، و4 برامج لحل المعادلات العشوائية غير المكانية، بالإضافة إلى برنامج Smoldyn ^{[ 8 ]} للمحاكاة المكانية العشوائية. كما يوفر VCell برنامجًا هجينًا لحل المعادلات المكانية، يجمع بين الحتمية والعشوائية، وذلك للحالات التي تتواجد فيها بعض الأنواع بأعداد نسخ منخفضة، بينما تتواجد أنواع أخرى بأعداد نسخ عالية. ومؤخرًا، تم توفير برنامج NFSim ، وهو برنامج حل لا يعتمد على الشبكة، لإجراء محاكاة عشوائية للنماذج الكبيرة المعقدة القائمة على القواعد. يمكن تشغيل معظم برامج الحل محليًا، بينما يمكن تشغيل جميعها عن بُعد على خوادم VCell.
• بالنسبة للنماذج الحتمية ذات الحجيرات، يمكن تقدير أفضل قيم المعلمات التي تتناسب مع البيانات التجريبية باستخدام خوارزميات طورتها برمجيات COPASI . هذه الأدوات متوفرة في VCell.
• يمكن تخزين النماذج وإعدادات المحاكاة (ما يسمى بالتطبيقات ) في ملفات محلية كلغة ترميز الخلية الافتراضية (VCML) ^{[ 9 ]} أو تخزينها عن بعد في قاعدة بيانات VCell.
• يمكن استيراد النماذج وتصديرها كلغة ترميز بيولوجيا الأنظمة (SBML) ^{[ 10 ]}
• يمكن استيراد المسارات البيولوجية كتبادل المسارات البيولوجية (BioPAX) ^{[ 11 ]} لبناء النماذج وشرحها.

تتيح VCell للمستخدمين الوصول المتكامل إلى مجموعة متنوعة من المصادر للمساعدة في بناء النماذج وشرحها:

• يمكن لمؤلفي النماذج المخزنة في قاعدة بيانات VCell أن يجعلوها متاحة لبعض المستخدمين ( مشتركة ) أو لجميع المستخدمين ( عامة ).
• يمكن لبرنامج VCell استيراد النماذج من قاعدة بيانات النماذج الحيوية . ^{[ 12 ]}
• يمكن استيراد المسارات البيولوجية من Pathway Commons . ^{[ 13 ]}
• يمكن إضافة تعليقات توضيحية لعناصر النموذج باستخدام معرّفات من PubMed و UniProt ( للبروتينات ) ^{[ 14 ]} وKEGG (للتفاعلات والأنواع) وGeneOntology (للتفاعلات والأنواع) وReactome (للتفاعلات والأنواع) و ChEBI (معظمها جزيئات صغيرة). ^{[ 15 ]}

يجري تطوير برنامج VCell في مركز آر. دي. برلين لتحليل الخلايا ونمذجتها في المركز الصحي بجامعة كونيتيكت . ^{[ 16 ]} ويتم تمويل الفريق بشكل أساسي من خلال منح بحثية مقدمة من المعاهد الوطنية للصحة .

• قائمة برامج نمذجة بيولوجيا الأنظمة
• الخلية الافتراضية

• الصفحة الرئيسية لـ VCell
• تنزيل VCell
• منتدى مستخدمي VCell
• نماذج الخلايا الافتراضية في المنشورات
• شرح استخدام VCell على يوتيوب .
• شفرة المصدر متاحة على GitHub