Информационная система "Конференции"

IV Всероссийская конференция молодых ученых по математическому моделированию и информационным технологиям

Красноярск, Академгородок, 3-5 ноября 2003 года

Тезисы докладов

Информационные технологии

BioUML – компьютерная программа для визуального моделирования биологических и других сложных систем

Колпаков Ф.А.

Конструкторско-технологический институт вычислительной техники СО РАН (Новосибирск)

С завершением расшифровки геномов многих организмов, включая геном человека, исследователи переходят к следующей фазе - изучение и моделирование организмов и их частей как сложных нелинейных систем. Проблема состоит в том, что для того чтобы понять как функционируют биологические системы, недостаточно разложить их на составляющие и изучить каждую из них (этот этап в существенной части уже пройден и громадный массив экспериментальных данных накоплен в различных базах данных), необходимо понять как эти составляющие взаимодействуют друг с другом, образуя целую систему - этот этап становится наиболее актуальным в последнее время.

BioUML – Biological Universal Modeling language - это шаг в данном направлении. Мы представляем BioUML как язык для написания “книги жизни”, т.е. формализованного описания живых систем на всех уровнях, начиная с молекулярного и клеточного, и заканчивая целыми организмами, популяциями, экосистемами и биосферой в целом.

Основой BioUML является мета-модель, которая обеспечивает формализм для комплексного описания, графического представления и моделирования широкого круга биологических и других сложных систем. Мета-модель не зависит от предметной области и состоит из 3 взаимосвязанных уровней описания сложной системы:

граф - структура системы описывается как компартментализованный граф;
база данных - каждый элемент графа может содержать ссылку на некоторый объект в базе данных, кроме того, набор произвольных атрибутов может быть ассоциирован с элементом графа;
выполняемая модель - с каждым элементом графа может быть ассоциирован соответствующий элемент выполняемой (математической) модели, например, вершины графа могут быть переменными, а ребра графа могут быть уравнениями, описывающими изменения этих переменных.

Чтобы принять во внимание особенности конкретной предметной области мы вводим концепцию типа диаграммы. Тип диаграммы определяет какие объекты и связи могут быть размещены на диаграмме, особенности их графического представления, а так же правила, которые обеспечивают семантическую целостность и правильность диаграммы в процессе ее редактирования.

Чтобы обеспечить интеграцию различных баз данных в среду BioUML, мы вводим концепцию модуля. Как правило, модуль создается для конкретной базы данных и определяет способ представления информации из этой базы данных в виде объектов языка Java и специфичные для этой базы данных типы диаграмм.

Задача моделирования динамики сложных биологических систем может быть существенно упрощена для исследователя при помощи компьютерных систем визуального моделирования. Графическое изображение систем в виде диаграмм представляет альтернативный синтаксис, позволяющий формально и полностью описать модель. Такой подход получил наибольшее распространение при моделировании физических и электротехнических систем и для визуального моделирования этих систем разработан ряд программных пакетов, включая MATLAB/SIMULINK, AnyLogic, Dymola, Ptolemy, Model Visum Studio.

Однако, используемый ими визуальный синтаксис плохо подходит для описания структуры биологических систем. Поэтому мы предлагаем компьютерную систему BioUML, где описанная выше мета-модель позволяет определить визуальный синтаксис, наиболее подходящий для конкретной предметной области. Кроме того, предлагаемый подход обеспечивает всю цепочку построения и анализа биологических моделей - начиная от поиска информации в билогических базах данных и заканчивая визуальным моделированием и рассчетом динамики биологических систем. Это достигается за счет использования модульной архитектуры на основе платформы Eclipse (http://www.eclipse.org), которая позволяет добавление специализированных программных модулей (plug-ins) для выполнения различных задач.

В данной работе нами разработан визуальный синтаксис, ориентированный в первую очередь, на моделирование динамики биологических путей (метаболические пути, генные сети и пути передачи сигнала в клетке) при помощи системы обыкновенных дифференциальных уравнений. Используя редактор диаграмм программы BioUML пользователь может создать диаграмму, описывающую структуру биологической системы. На этой диаграмме различные химические вещества, белки, РНК, гены и реакции являются вершинами графа, а ребре графов указывают в какой роли (реактант, продукт, катализатор или ингибитор) в каких реакциях они участвуют. С каждым элементом графа ассоциирован соответствующий элемент выполняемой (математической) модели, например, вершины графа могут быть переменными, а ребра графа могут быть уравнениями, описывающими изменения этих переменных во времени. После этого специальный модуль (MATLAB plug-in) программы BioUML может автоматически сгенерировать и запустить программу на языке MATLAB для численного решения и графического представления динамики системы. Другой модуль (SBW plug-in) позволяет использовать средства Systems Biology Workbench (http://www.sbw-sbml.org) для анализа и моделирования динамики биологических систем.

Программа BioUML, включая исходный текст программы, свободно доступны по адресу: http://www.biouml.org.

Существует специальный форум - http://http://groups.yahoo.com/group/biouml/ - где вы можете задать вопросы о программе и высказать свои замечания и пожелания по поводу ее дальнейшего развития.

Работа проводилась при частичной поддержке гранта Volkswagen-Stiftung (I/75941).

Примечание. Тезисы докладов публикуются в авторской редакции

Ваши комментарии
Обратная связь

[Головная страница]
[Конференции]