La programmazione di un esperimento di biologia molecolare può essere simile a giocare a Sudoku; entrambi sono semplici se lavori solo con poche molecole o una piccola griglia, ma esplodono in complessità man mano che crescono. Ora, in un articolo pubblicato il 3 ottobre su Giornale Biofisico , i ricercatori del Virtual Cell Project (vcell.org) di UConn Health hanno reso molto più facile per i biologi cellulari costruire modelli biologici complessi.

La cella virtuale, o Vcell come è noto, è una piattaforma software che offre il set più completo al mondo di funzionalità di modellazione e simulazione per la biologia cellulare. Consente ai biologi senza competenze matematiche o di programmazione informatica di costruire modelli e simulare il funzionamento di una cellula. Vcell è uscito per la prima volta online quasi 20 anni fa, nel 1998, e il team di UConn Health guidato dal biofisico Leslie Loew lo ha sviluppato e mantenuto da allora. Usando VCell, un biologo può prevedere cosa succede quando un determinato farmaco incontra una cellula di filtrazione nel rene, Per esempio, o come una molecola di emoglobina in un globulo rosso affronta un picco di anidride carbonica.

Ma fino ad ora, un biologo aveva ancora bisogno di forti capacità di programmazione per realizzare modelli cellulari dettagliati a livello molecolare, e anche di più, pazienza. Ogni molecola coinvolta in un modello ha un certo numero di stati, o cose che può fare e luoghi in cui può essere. Ogni possibile combinazione di molecole e dei loro stati doveva essere codificata a mano. E all'aumentare del numero delle parti mobili, il numero di righe di codice del computer fa, pure. Se aumenti la dimensione di una griglia di Sudoku a nove per nove, improvvisamente hai 6,7 sestilioni di possibili scenari... e ti fai un'idea dell'incubo che i biologi molecolari hanno dovuto affrontare quando hanno cercato di codificare anche un sistema biologico leggermente complesso. Il nome comune di questo problema è "esplosione combinatoria, " e la soluzione ad esso, chiamato "modellazione basata su regole, " è stato sviluppato 12 anni fa dal membro del team VCell Michael Blinov e dai colleghi James Faeder e William Hlavacek, che hanno lavorato tutti in quel periodo al Los Alamos National Laboratory.

Però, ogni modellatore che utilizzava la modellazione basata su regole ha dovuto affrontare una complicazione. Il programma che descriveva in dettaglio le interazioni tra le molecole doveva essere scritto nel testo. In quest'era di iPhone e computer puoi navigare con lo swipe e click, tutti si aspettano che un computer abbia una splendida interfaccia grafica. Fino ad ora, l'uso della modellazione basata su regole non era così. Assomigliava più alle caselle di comando di testo che puoi richiamare se hai bisogno di navigare rapidamente nelle viscere della tua macchina. Ma diventa noioso in fretta, e cogliere gli errori in migliaia di righe ripetitive, un codice quasi identico può essere esasperante. I modelli di biologia cellulare diventano rapidamente così ingombranti che solo un modellatore o programmatore esperto può gestirli. Questo fortemente limitato chi potrebbe utilizzare tale modellazione.

"Prima, solo programmatori o modellisti esperti potrebbero creare modelli basati su regole per descrivere i dettagli delle interazioni molecolari, " afferma Loew. "Volevamo rendere disponibile la modellazione basata su regole ai biologi cellulari che ne hanno davvero bisogno".

Loew e il team VCell di Michael Blinov, Ione Moraru, James Schaff, e Dan Vasilescu hanno deciso di rendere le cose più facili. Nel loro nuovo documento, descrivono un'interfaccia utente per Vcell che utilizza forme colorate per rappresentare le molecole. Le forme assomigliano un po' ai mattoni colorati. Le bolle mostrano siti di legame, e le linee mostrano i collegamenti tra le molecole. I collegamenti possono anche essere di colori e forme diversi per rappresentare interazioni diverse. Un semplice modello che descrive l'emoglobina ricorda una mappa o uno schema elettrico.

Invece di scrivere migliaia di righe di codice, i biologi che utilizzano VCell ora possono semplicemente definire le loro molecole e spiegare a VCell come possono interagire tra loro. Il biologo non deve preoccuparsi dell'esplosione combinatoria. Il computer - tutti i 60 teraflop, 3, 000 processori, e 2 petabyte di spazio di archiviazione ospitato presso l'edificio Cell and Genome di UConn Health - lo gestisce.

Loew e Blinov ritengono che la nuova versione di VCell amplierà notevolmente il numero di persone che possono utilizzare la modellazione basata su regole. Questo perché consente agli scienziati di utilizzare l'insieme completo di metodi di simulazione disponibili in Vcell con modelli basati su regole in un unico, unificato, ambiente software di facile utilizzo.

Ora, un biologo esperto dovrebbe essere in grado di dedicare un giorno a seguire i tutorial sul sito e imparare abbastanza per capire come modellare un nuovo problema su VCell. In precedenza, erano circa 5, 800 utenti attivi di Vcell a livello globale (puoi accedere da qualsiasi luogo che disponga di una connessione Internet). Quei modellisti avevano creato 76, 600 modelli e ne corrono circa 479, 000 diverse simulazioni su di essi. Queste simulazioni testano tutto, dal fatto che una determinata mutazione causi il cancro al modo in cui un nuovo farmaco potrebbe interagire con il cuore. E con la nuova versione di Vcell, il numero di utenti attivi dovrebbe aumentare.

Finora, Vcell non ha aiutato con un gioco di Sudoku. Ma qualcuno potrebbe semplicemente scrivere un modello per questo.