Programmer une expérience de biologie moléculaire peut être similaire à jouer au Sudoku; les deux sont simples si vous travaillez avec seulement quelques molécules ou une petite grille, mais ils explosent en complexité à mesure qu'ils grandissent. Maintenant, dans un article publié le 3 octobre dans le Journal biophysique , Les chercheurs du Virtual Cell Project d'UConn Health (vcell.org) ont permis aux biologistes cellulaires de créer beaucoup plus facilement des modèles biologiques complexes.

La Cellule Virtuelle, ou VCell comme on l'appelle, est une plate-forme logicielle qui offre l'ensemble le plus complet de capacités de modélisation et de simulation pour la biologie cellulaire au monde. Il permet aux biologistes n'ayant pas de solides compétences en mathématiques ou en programmation informatique de construire des modèles et de simuler le fonctionnement d'une cellule. VCell a été mis en ligne pour la première fois il y a près de 20 ans, en 1998, et l'équipe UConn Health dirigée par le biophysicien Leslie Loew l'a développé et maintenu depuis. En utilisant VCell, un biologiste peut prédire ce qui se passe lorsqu'un certain médicament rencontre une cellule de filtration dans le rein, par exemple, ou comment une molécule d'hémoglobine dans un globule rouge gère un pic de dioxyde de carbone.

Mais jusqu'à maintenant, un biologiste avait encore besoin de solides compétences en programmation pour créer des modèles cellulaires détaillés au niveau moléculaire, et même plus que ça, patience. Chaque molécule impliquée dans un modèle possède un certain nombre d'états, ou des choses qu'il peut faire et des endroits où il peut être. Chaque combinaison possible de molécules et leurs états devaient être codés à la main. Et comme le nombre de pièces mobiles augmente, le nombre de lignes de code informatique font, trop. Si vous augmentez la taille d'une grille de Sudoku à neuf par neuf, vous avez soudainement 6,7 sextillions de scénarios possibles ... et vous avez une idée du cauchemar auquel les biologistes moléculaires ont été confrontés lorsqu'ils ont essayé de coder même un système biologique légèrement complexe. Le nom commun de ce problème est une "explosion combinatoire, " et la solution à cela, appelé « modélisation à base de règles », " a été développé il y a 12 ans par Michael Blinov, membre de l'équipe VCell et ses collègues James Faeder et William Hlavacek, qui ont tous travaillé pendant cette période au Laboratoire national de Los Alamos.

Cependant, chaque modélisateur utilisant la modélisation basée sur des règles était confronté à une complication. Le programme détaillant les interactions entre les molécules devait être écrit sous forme de texte. À l'ère des iPhones et des ordinateurs, vous pouvez naviguer en glissant et en cliquant, tout le monde s'attend à ce qu'un ordinateur ait une interface graphique magnifique. Jusqu'à maintenant, l'utilisation de la modélisation basée sur des règles n'était pas comme ça. Cela ressemblait plus aux zones de commande de texte que vous pouvez appeler si vous avez besoin de naviguer rapidement dans les entrailles de votre machine. Mais ça devient vite lassant, et attraper des erreurs dans des milliers de lignes répétitives, un code presque mais pas tout à fait identique peut être exaspérant. Les modèles de biologie cellulaire deviennent rapidement si lourds que seul un modélisateur ou un programmeur expérimenté peut les gérer. Cela a fortement limité qui pourrait utiliser une telle modélisation.

"Avant, seuls les programmeurs ou les modélisateurs expérimentés pouvaient créer des modèles basés sur des règles pour décrire les détails des interactions moléculaires, ", explique Loew. "Nous voulions mettre la modélisation basée sur des règles à la disposition des biologistes cellulaires qui en ont vraiment besoin."

Loew et l'équipe VCell de Michael Blinov, Ion Moraru, James Schaff, et Dan Vasilescu a décidé de rendre les choses plus faciles. Dans leur nouveau papier, ils décrivent une interface utilisateur pour VCell qui utilise des formes colorées pour représenter des molécules. Les formes ressemblent un peu à des briques colorées. Les bulles montrent des sites de liaison, et les lignes montrent les liens entre les molécules. Les liens peuvent également être de différentes couleurs et formes pour représenter différentes interactions. Un modèle simple décrivant l'hémoglobine ressemble à une carte ou à un schéma de câblage.

Au lieu d'écrire des milliers de lignes de code, les biologistes utilisant VCell peuvent désormais simplement définir leurs molécules et expliquer à VCell comment elles peuvent interagir les unes avec les autres. Le biologiste n'a pas à s'inquiéter de l'explosion combinatoire. L'ordinateur - tous les 60 téraflops, 3, 000 processeurs, et 2 pétaoctets de stockage hébergés dans le bâtiment Cell and Genome d'UConn Health - le gère.

Loew et Blinov pensent que la nouvelle version de VCell augmentera considérablement le nombre de personnes pouvant utiliser la modélisation basée sur des règles. En effet, il permet aux scientifiques d'utiliser l'ensemble complet de méthodes de simulation disponibles dans VCell avec des modèles basés sur des règles dans un seul et même unifié, environnement logiciel convivial.

Maintenant, un biologiste qualifié devrait pouvoir prendre une journée pour parcourir les didacticiels du site et en apprendre suffisamment pour comprendre comment modéliser un nouveau problème sur VCell. Précédemment, il y en avait environ 5, 800 utilisateurs actifs de VCell dans le monde (vous pouvez vous connecter depuis n'importe quel endroit disposant d'une connexion Internet). Ces modélistes avaient créé 76, 600 modèles et courir environ 479, 000 simulations différentes sur eux. Ces simulations testent tout, depuis une certaine mutation provoque le cancer jusqu'à la façon dont un nouveau médicament pourrait interagir avec le cœur. Et avec la nouvelle version de VCell, le nombre d'utilisateurs actifs devrait augmenter.

Jusque là, VCell n'a pas aidé avec un jeu de Sudoku. Mais quelqu'un pourrait bien écrire un modèle pour ça.