Оригинал: http://samurai.bionet.nsc.ru/pages/help/model_cell.pdf

1. Актуальность и цели.

Массовое   исследование   генных   сетей   (ГС),   генетически   контролируемых метаболических путей,  путей сигнальной трансдукции и других молекулярно-генетических подсистем   (МГС)   клеток,   приводит   к   исключительно   высоким   темпам   накопления экспериментальной информации,  представленной  в   тысячах  публикаций и компьютерных базах данных и описывающих различные аспекты функционирования МГС (Колчанов и др.,2000). Данные исследования в настоящее время вышли на качественно новый уровень в связи с  широким   распространением  техники  ДНК-чипов   (microarray  анализа),   позволяющего   в одном  эксперименте получать информацию о функционировании многих десятков и тысяч генов (Fellenberg et al., 2001, Sherlock et al., 2001). Анализ беспрецедентно огромных объемов экспериментальных   данных,   отражающих   сложные   процессы   функционирования молекулярно-генетических   систем,   принципиально   невозможен   без   использования современных информационных технологий и эффективных математических методов анализа данных   и   моделирования   биологических   систем   и   процессов.   Для   обобщения, систематизации и анализа накопленной информации о генных сетях требуется проведение широкомасштабных теоретических исследований направленных на постижение принципов структурной организации,  молекулярных механизмов функционирования,   закономерностей эволюции ГС,  оценки влияния  мутаций на  функцию  генных  сетей,  реконструкции ГС на основе   экспериментальных   данных,   для   создания   искусственных   ГС   с   заданными характеристиками   их   функционирования   (Ananko  et  al.,   2002,   2005).   Именно поэтому теоретическое и компьютерное исследование молекулярно-генетических систем приобрело в настоящее время фундаментальное и первоочередное значение. В настоящее время область математического   моделирования   является   динамичным   быстро   развивающимся направлением  исследования   закономерностей  функционирования  живых   систем.  Арсенал методов,   используемых   для  моделирования  молекулярно-генетических   систем  достаточно широк и включает дискретные, непрерывные, стохастические и комбинированные подходы. Среди них  можно  выделить  Булевы  сети  (Kauffman,  1993),  обобщенные   логические   сети (Thomas et al., 1995), Байесовские сети (Friedman et al., 2000), динамические Байесовские сети (Ong  et  al.,   2002);   сети   Петри   (Hofestadt,  Meineke,   1995),   методы   моделирования   с использованием   линейных   (Covert  et  al.,   2004)   и   кусочно-линейных   (Edwards,   2000) дифференциальных уравнений; методы моделирования с использованием дифференциальных уравнений,   подходы,   основанные   на   применении   обыкновенных   нелинейных дифференциальных уравнений, в том числе и с запаздывающими аргументами (Smolen et al., 2000; Лихошвай и др., 2003, 2004; Демиденко и др., 2004, Ратушный и др., 2003;  Ratushny et al., 2004), стохастическое моделирование (Turner et al., 2004) и др.  ПК  «Моделирование   клетки»  включает   в   себя   современные  методы моделирования, расчета   и   анализа  математических  моделей  молекулярно-генетических   и  метаболических систем, которые разрабатывались специалистами в области вычислительных методов, теории управления,   математического   моделирования   метаболических   путей,   математического моделирования МГС. Основными   объектами   моделирования   в   ПК   «Моделирование   клетки»   являются молекулярно-генетические системы клетки (МГС).  МГС представляют структурно сложные пространственные объекты, содержащие десятки и сотни (нередко, тысячи) элементов разной природы и сложности:  гены и их регуляторные участки;  РНК и белки,  кодируемые этими генами;  низкомолекулярные   соединения,   различные комплексы между  ферментами   и  их мишенями и т.д. Элементы МГС связываются в единую функциональную сеть посредством сложных нелинейных биохимических процессов синтеза и деградации веществ (Kolchanov et al., 2002). МГС являются открытыми системами, функционирование которых поддерживается непрерывным  поступлением  в   среду  определенных   веществ   и   энергии,   а   также   отводом продуктов   деятельности.   Функционирование   МГС   можно   характеризовать   временными траекториями изменения  концентраций некоторой  совокупности веществ,  принадлежащих ГС. Важнейшим   свойством   МГС  является   способность   к   изменению   состояния (концентрации   веществ)   в   ответ   на   изменение   условий   внешней   и   внутренней   среды. Изменение состояния достигается посредством изменения уровня экспрессии определенных групп генов посредством веществ-регуляторов. Регуляторные процессы представляют собой последовательности молекулярных событий (часто достаточно сложных и разветвленных), в которых могут быть одновременно задействованы многие вещества, как поступающие извне (внешние   сигналы),   так   и   синтезируемые   самой  МГС   (внутренние   сигналы),   а   также регуляторные участки генов.  Ядром МГС являются гены и кодируемые ими РНК и белки, экспрессия которых подвержена взаимному регулированию (Колчанов и др., 2000, Kolchanov et  al.,  2002).  Данные  подсети представляют   собой регуляторные  контуры МГС.  Изучение свойств   регуляторных   контуров   является   важнейшей   задачей,   на   решение   которой ориентирован ПК «Моделирование клетки». ПК   «Моделирование   клетки»  содержит   следующие   модули:   «конструктор/редактор моделей»,   «расчет   моделей»,   «обратная   задача»,   «оптимальное   управление».   Модуль «конструктор/редактор  моделей»  позволяет   создавать   и   редактировать  модели,   используя оригинальный стандарт спецификации моделей SiBML. Данный модуль также включает: (i) средства конструирования моделей произвольных МГС с учетом взаимного расположения и ориентации   генов   в   составе   геномов,   полиаллельности   генов,   матричного принципа протекания   фундаментальных   процессов   репликации,   транскрипции   и   трансляции,   и

многокомпартментности исследуемых систем и (ii) средства подготовки моделей для расчета динамики, решения обратных задач и задач оптимального управления. Для расчета динамики моделей  в   системе   реализован  метод  Гира.  Решение   обратной   задачи   осуществляется  на основе   квазиградиентного   и   генетического   алгоритмов.   Задачи   управления   решаются методом   Сеток.   Система  MGSmodeller  реализована   в   виде  java-приложения   и   снабжена атрибутами   специализированного   пользовательского   интерфейса.   Пользовательский интерфейс системы MGSmodeller позволяет иерархически отображать данные, редактировать эти данные и наглядно отображать результаты расчёта и анализа математических моделей МГС.

2. Описание   компьютерной   системы  

«Моделирование   клетки»   и детальное руководство по ее применению

Компьютерная   система   "Моделирование   клетки"  предназначена  для   создания компьютерных   моделей   функционирования   бактериальных   клеток,   решения   задач бактериальной метаболической инженерии и компьютерной поддержки экспериментального дизайна искусственных бактериальных молекулярно-генетических конструкций с заданными свойствами.

Компьютерная система "Моделирование клетки" обеспечивает выполнение следующих функций:

      1. конструирование   математических   моделей   молекулярно-генетических   систем   из моделей элементарных процессов;

     2. редактирование моделей путем добавления новых элементов, изменения или удаления фрагментов  моделей,   изменения   условий   эксперимента   и   изменений   сценария проведения расчетов;

     3. моделирование   динамики   бактериальных   генных   сетей   с   помощью   обобщенного химико-кинетического подхода;  

     4. моделирование   стационарного   распределения   метаболических   потоков   в бактериальной клетке;

     5. использование   обобщенных   функций   Хилла   для   моделирования   нелинейных эффектов функционирования промоторов и аллостерических механизмов  регуляции функции ферментов.

     6. численное  исследование  динамики переходных  процессов математических  моделей молекулярно-генетических   систем   и   устойчивости   предельных   состояний математических моделей молекулярно-генетических систем.

     7. поиск оптимальных параметров математических моделей молекулярно-генетических систем,   обеспечивающих   наилучшее   соответствие   динамики   компонентов  моделей экспериментальным данным;

    8. решение задач управления динамикой функционирования молекулярно-генетических систем, в частности:

а) поиск управляющих воздействий на динамику генной сети с целью перевода ее из одного стационарного состояния в другое;

б) оценка   побочных   эффектов   и   зоны   риска   при   управляющих   воздействиях   на динамику генной сети.

    9. конструирование   математических   искусственных   генных   сетей   на   основе математических моделей бактериальных генетических элементов;

   10. исследование динамики функционирования искусственных генных сетей с заданными наборами генетических элементов и графами регуляторных связей;

   11. информационную поддержку экспериментального дизайна гено - сенсорных устройств на основе бактериальных систем.

      Компьютерная   система   «Моделирование   клетки»   состоит   из   пяти   программных (MGSmodeller,  METABOL,  SETIES,  STEP+,  HGNET) и пяти информационных компонентов: базы данных GeneNet, KiNET, BiotechPro, GenSensor, ConSensor. Вызов доступных ресурсов осуществляется с общей панели. В дальнейшем работа с вызванным ресурсом осуществляется независимо   от   других   ресурсов   системы.   В   связи   с   этим   в   данном   обучающем   курсе

руководство по применению каждого компонента (программного и информационного) дается в отдельном разделе.

Понимание   текста   размещенного   в   разделе   2   подразумевает,   что   пользователь ознакомился   с   методами   моделирования   и   со   стандартами   спецификации   данных, применяемых   в   программных   и   информационных   компонентах   компьютерной   системы «Моделирование   клетки»,  подробное  описание   которых  дано  в  руководстве  пользователя