Att programmera ett molekylärbiologiskt experiment kan likna att spela Sudoku; båda är enkla om du bara arbetar med ett fåtal molekyler eller ett litet rutnät, men de exploderar i komplexitet när de växer. Nu, i en tidning publicerad den 3 oktober i Biofysisk tidskrift , forskare vid UConn Healths Virtual Cell Project (vcell.org) har gjort det mycket lättare för cellbiologer att bygga komplexa biologiska modeller.

Den virtuella cellen, eller VCell som det kallas, är en mjukvaruplattform som erbjuder den mest omfattande uppsättningen modellerings- och simuleringsmöjligheter för cellbiologi i världen. Det tillåter biologer utan starka matematik- eller datorprogrammeringskunskaper att bygga modeller och simulera hur en cell fungerar. VCell kom först online för nästan 20 år sedan, 1998, och UConn Health-teamet som leds av biofysikern Leslie Loew har utvecklat och underhållit det sedan dess. Använder VCell, en biolog kan förutsäga vad som händer när ett visst läkemedel möter en filtreringscell i njuren, till exempel, eller hur en hemoglobinmolekyl i en röd blodkropp hanterar en topp i koldioxid.

Men tills nu, en biolog behövde fortfarande starka programmeringsfärdigheter för att göra detaljerade cellmodeller på molekylär nivå, och ännu mer än så, tålamod. Varje molekyl som är involverad i en modell har ett visst antal tillstånd, eller saker den kan göra och platser den kan vara. Varje möjlig kombination av molekyler och deras tillstånd måste kodas ut för hand. Och när antalet rörliga delar ökar, antalet rader med datorkod gör, för. Om du ökar storleken på ett Sudoku-rutnät till nio gånger nio, du har plötsligt 6,7 sexbiljoner möjliga scenarier ... och du får en uppfattning om mardröm molekylärbiologer möttes av när de försökte koda även ett lite komplext biologiskt system. Det vanliga namnet för detta problem är en "kombinatorisk explosion, "och lösningen på det, kallad "regelbaserad modellering, " utvecklades för 12 år sedan av VCell-teammedlemmen Michael Blinov och kollegorna James Faeder och William Hlavacek, som alla arbetade under den tiden vid Los Alamos National Laboratory.

Dock, alla modellerare som använder regelbaserad modellering stötte på en komplikation. Programmet som beskriver interaktioner mellan molekyler måste skrivas ut i text. I denna tid av iPhones och datorer kan du navigera med svep och klicka, alla förväntar sig att en dator har ett underbart grafiskt gränssnitt. Tills nu, att använda regelbaserad modellering var inte så. Det såg mer ut som textkommandorutorna du kan ta fram om du behöver navigera snabbt i din maskin. Men det blir tröttsamt snabbt, och fånga misstag i tusentals rader av repetitiva, nästan-men-inte-helt identisk kod kan vara irriterande. Cellbiologiska modeller blir snabbt så svårhanterliga att bara en erfaren modellerare eller programmerare kan hantera dem. Detta begränsade kraftigt vem som kunde använda sådan modellering.

"Innan, endast programmerare eller erfarna modellerare kunde skapa regelbaserade modeller för att beskriva detaljer om molekylära interaktioner, " säger Loew. "Vi ville göra regelbaserad modellering tillgänglig för de cellbiologer som verkligen behöver det."

Loew och VCell-teamet till Michael Blinov, Ion Moraru, James Schaff, och Dan Vasilescu bestämde sig för att göra saker enklare. I deras nya tidning, de beskriver ett användargränssnitt för VCell som använder färgade former för att representera molekyler. Formerna ser lite ut som färgade tegelstenar. Bubblor visar bindningsställen, och linjer visar kopplingar mellan molekyler. Länkarna kan också ha olika färger och former för att representera olika interaktioner. En enkel modell som beskriver hemoglobin liknar en karta eller kopplingsschema.

Istället för att skriva tusentals rader kod, Biologer som använder VCell kan nu bara definiera sina molekyler och förklara för VCell hur de kan interagera med varandra. Biologen behöver inte oroa sig för den kombinatoriska explosionen. Datorn - alla 60 teraflops, 3, 000 processorer, och 2 petabyte lagringsutrymme på UConn Healths Cell and Genome-byggnad - hanterar det.

Loew och Blinov tror att den nya versionen av VCell dramatiskt kommer att utöka antalet personer som kan använda regelbaserad modellering. Detta beror på att det gör det möjligt för forskare att använda den omfattande uppsättningen simuleringsmetoder som finns tillgängliga i VCell med regelbaserade modeller i en enda, enat, användarvänlig mjukvarumiljö.

Nu, en utbildad biolog borde kunna ta en dag att gå igenom tutorials på webbplatsen och lära sig tillräckligt för att ta reda på hur man modellerar ett nytt problem på VCell. Tidigare, det var cirka 5, 800 aktiva användare av VCell globalt (du kan logga in var som helst som har en internetanslutning). Dessa modellbyggare hade skapat 76, 600 modeller och kör cirka 479, 000 olika simuleringar på dem. Dessa simuleringar testar allt från om en viss mutation orsakar cancer till hur ett nytt läkemedel kan interagera med hjärtat. Och med den nyligen släppta versionen av VCell, antalet aktiva användare bör öka.

Än så länge, VCell har inte hjälpt till med ett Sudoku-spel. Men någon kanske bara skriver en modell för det.