Programar un experimento de biología molecular puede ser similar a jugar Sudoku; ambos son simples si trabaja con pocas moléculas o una cuadrícula pequeña, pero explotan en complejidad a medida que crecen. Ahora, en un artículo publicado el 3 de octubre en el Revista biofísica , Los investigadores del Proyecto de Células Virtuales de UConn Health (vcell.org) han facilitado mucho a los biólogos celulares la construcción de modelos biológicos complejos.

La celda virtual, o VCell como se le conoce, es una plataforma de software que ofrece el conjunto más completo de capacidades de modelado y simulación para biología celular en el mundo. Permite a los biólogos sin grandes habilidades matemáticas o de programación informática construir modelos y simular cómo funciona una célula. VCell se conectó por primera vez hace casi 20 años, en 1998, y el equipo de UConn Health encabezado por la biofísica Leslie Loew lo ha desarrollado y mantenido desde entonces. Usando VCell, un biólogo puede predecir qué sucede cuando un determinado medicamento se encuentra con una célula de filtración en el riñón, por ejemplo, o cómo una molécula de hemoglobina en un glóbulo rojo se enfrenta a un pico de dióxido de carbono.

Pero hasta ahora un biólogo todavía necesitaba fuertes habilidades de programación para hacer modelos celulares detallados a nivel molecular, y aun mas que eso, paciencia. Cada molécula involucrada en un modelo tiene un cierto número de estados, o cosas que puede hacer y lugares en los que puede estar. Cada posible combinación de moléculas y sus estados tenía que codificarse a mano. Y a medida que aumenta el número de piezas móviles, la cantidad de líneas de código de computadora, también. Si aumenta el tamaño de una cuadrícula de Sudoku a nueve por nueve, de repente tienes 6,7 billones de escenarios posibles ... y te haces una idea de la pesadilla que enfrentaron los biólogos moleculares cuando intentaron codificar incluso un sistema biológico ligeramente complejo. El nombre común de este problema es "explosión combinatoria, "y la solución, llamado "modelado basado en reglas, "fue desarrollado hace 12 años por el miembro del equipo de VCell Michael Blinov y sus colegas James Faeder y William Hlavacek, quienes trabajaron durante ese tiempo en el Laboratorio Nacional de Los Alamos.

Sin embargo, todos los modeladores que utilizaban modelos basados ​​en reglas se enfrentaban a una complicación. El programa que detalla las interacciones entre moléculas tuvo que escribirse en texto. En esta era de iPhones y computadoras, puede navegar con deslizar y hacer clic, todo el mundo espera que una computadora tenga una interfaz gráfica magnífica. Hasta ahora, usar el modelado basado en reglas no era así. Se parecía más a los cuadros de comando de texto que puede llamar si necesita navegar por las entrañas de su máquina rápidamente. Pero se vuelve aburrido rápido y detectar errores en miles de líneas repetitivas, El código casi, pero no del todo idéntico, puede resultar enloquecedor. Los modelos de biología celular rápidamente se vuelven tan difíciles de manejar que solo un modelador o programador experimentado puede manejarlos. Esto limitó drásticamente quién podría usar tal modelo.

"Antes, solo los programadores o los modeladores experimentados pueden crear modelos basados ​​en reglas para describir los detalles de las interacciones moleculares, ", dice Loew." Queríamos que el modelado basado en reglas estuviera disponible para los biólogos celulares que realmente lo necesitaban ".

Loew y el equipo VCell de Michael Blinov, Ion Moraru, James Schaff, y Dan Vasilescu decidió facilitar las cosas. En su nuevo periódico, describen una interfaz de usuario para VCell que usa formas coloreadas para representar moléculas. Las formas se parecen un poco a ladrillos de colores. Las burbujas muestran sitios de unión, y las líneas muestran vínculos entre moléculas. Los enlaces también pueden ser de diferentes colores y formas para representar diferentes interacciones. Un modelo simple que describe la hemoglobina se asemeja a un mapa o diagrama de cableado.

En lugar de escribir miles de líneas de código, Los biólogos que usan VCell ahora pueden simplemente definir sus moléculas y explicarle a VCell cómo pueden interactuar entre sí. El biólogo no tiene que preocuparse por la explosión combinatoria. La computadora:los 60 teraflops, 3, 000 procesadores, y 2 petabytes de almacenamiento alojado en el edificio Cell and Genome de UConn Health:lo maneja.

Loew y Blinov creen que la nueva versión de VCell ampliará drásticamente el número de personas que pueden utilizar el modelado basado en reglas. Esto se debe a que permite a los científicos utilizar el conjunto completo de métodos de simulación disponibles en VCell con modelos basados ​​en reglas en una sola unificado entorno de software fácil de usar.

Ahora, un biólogo capacitado debería poder tomarse un día para revisar los tutoriales en el sitio y aprender lo suficiente para descubrir cómo modelar un nuevo problema en VCell. Previamente, había alrededor de 5, 800 usuarios activos de VCell a nivel mundial (puede iniciar sesión desde cualquier lugar que tenga conexión a Internet). Esos modeladores habían creado 76, 600 modelos y funcionan alrededor de 479, 000 simulaciones diferentes sobre ellos. Estas simulaciones prueban todo, desde si una determinada mutación causa cáncer hasta cómo un nuevo fármaco podría interactuar con el corazón. Y con la versión recién lanzada de VCell, debería aumentar el número de usuarios activos.

Hasta aquí, VCell no ha ayudado con un juego de Sudoku. Pero alguien podría escribir un modelo para eso.