BioUML интегрированная расширяемая среда для моделирования биологических систем Biosoft.Ru Лабоработория

BioUMLинтегрированная

расширяемая среда для моделирования

биологических систем

Biosoft.RuЛабоработория Биоинформатики КТИ ВТ СО РАН

http://www.biosoft.ru

Организм

Органы

Ткани

Клетки

Метаболические пути Генные сети

Химически вещества(~10 000)

Белкии их комплексы

(~ 100 000)

Гены(~40 000)

Базы данных (более 500 баз данных, общий объем сотни гигабайт)

Актуальность задачи

С завершением расшифровки многих геномов, включая геном человека, исследователи переходят к следующей стадии изучения, как работают живые (биологические) системы.

Для этого необходимо интегрированные компьютерные системы, позволяющие решать широкий круг задач, включая:

• поиск информации в базах данных• построение формализованных описаний

биологических систем • построение моделей• расчет моделей.

Организм

Органы

Ткани

Клетки

Метаболические пути Генные сети

Химически вещества(~10 000)

Белкии их комплексы

(~ 100 000)

Гены(~40 000)

Базы данных (более 500 баз данных, общий объем сотни гигабайт)

BioUML BioUML - Biological Unified Modeling Language –

это интегрированная расширяемая среда для визуального моделирования биологических систем.

Интегрированный редактор диаграмм

Универсальная система поиска

информации по базам данных

Система поиска и визуализации взаимодействующих компонентов систем

Система визуального моделирования

BioUML modeler

%constants declarationglobal k_1 k_2 k_3 k_E0 k_Km v_blood v_liverk_1 = 0.1k_2 = 0.05k_3 = 0.01k_E0 = 1.0k_Km = 0.1v_blood = 100.0v_liver = 100.0%Model variables and their initial valuesy = []y(1) = 100.0 % y(1) - $blood.Ay(2) = 0.0 % y(2) - $liver.Ay(3) = 0.0 % y(3) - $liver.By(4) = 1.0 % y(4) - $liver.E%numeric equation solving[t,y] = ode23('pharmo_simple_dy',[0 200],y)%plot the solver outputplot(t, y(:,1),'-',t, y(:,2),'-',t, y(:,3),'-',t, y(:,4),'-')title ('Solving pharmo_simple problem')ylabel ('y(t)')xlabel ('x(t)')legend('$blood.A','$liver.A','$liver.B','$liver.E');

Пример автоматически сгенерированной программы на языке MATLAB для численного моделирования и графического представления результатов.

BioUML modeler

Function to calculate dy/dt for the model.

function dy = pharmo_simple_dy(t, y)

% Calculates dy/dt for 'pharmo_simple' model.

%constants declaration

global k_1 k_2 k_3 k_E0 k_Km v_blood v_liver

% calculates dy/dt for 'pharmo_simple' model

dy = [ -k_1*y(1)+k_2*y(2)

-k_3*k_E0*y(2)/(k_Km+y(2)/v_liver)-k_2*y(2)+k_1*y(1)

k_3*k_E0*y(2)/(k_Km+y(2)/v_liver)

0]

BioUML: обзор архитектуры

Database

Module type (Database adapter)- data types- data types meta information- transformers- graph query system

Data types- compartment

- cell- molecule

- gene- RNA- protein

- reaction- relation

Diagram type (Diagram adapter)- diagram view builder- diagram semantic controllerDiagramElement

kernel:DataElementtitle:Stringview:Viewrole:Role

Node

location:Pointimage:Image

Edge

in:Nodeout:Node

Compartment

nodes:Node[]edges:Edge[]

Diagram

type:DiagramTypeRole

diagramElement

Constant

value:double

Variable

initilaValue:double

Equation

variable:Variableequation:String

ExecutableModel

variables:Variable[]constants:Constant[]

MatlabODEModel

generateModel():File[]

Meta model

Dynamics model

n

n

n

nDiagramElement


DiagramElement


Node


Node


Edge

in:Nodeout:Node

Edge

in:Nodeout:Node

Compartment


Compartment


Diagram

type:DiagramType

Diagram


diagramElement

Role

diagramElement

Constant

value:double

Constant

value:double

Variable

initilaValue:double

Variable

initilaValue:double

Equation


Equation


ExecutableModel


ExecutableModel


MatlabODEModel


MatlabODEModel


Meta model

Dynamics model

n

n

n

n

Diagram viewer/editor

Modeling tools MATLAB

XML

XSLT

HTML publisher

Database search engine

Graph layout & search engine

Database module

Formalized description and graphic notation for biological pathways

Diagram types- pathway - pathway simulation - generalized pathway

Meta model

Мета модель обеспечивает абстрактный уровень для описания структуры биологической системы как кластеризованного графа и описания математической модели системы.

DiagramElement


Node


Edge

in:Nodeout:Node

Compartment


Diagram


diagramElement

Constant

value:double

Variable

initilaValue:double

Equation


ExecutableModel


MatlabODEModel


Meta model

Dynamics model

n

n

n

n

Architecture overview

Database

Module type (Database adapter)- data types- data types meta information- transformers- graph query system

Data types- compartment

- cell- molecule

- gene- RNA- protein

- reaction- relation

Diagram type (Diagram adapter)- diagram view builder- diagram semantic controllerDiagramElement


Node


Edge

in:Nodeout:Node

Compartment


Diagram


diagramElement

Constant

value:double

Variable

initilaValue:double

Equation


ExecutableModel


MatlabODEModel


Meta model

Dynamics model

n

n

n

nDiagramElement


DiagramElement


Node


Node


Edge

in:Nodeout:Node

Edge

in:Nodeout:Node

Compartment


Compartment


Diagram

type:DiagramType

Diagram


diagramElement

Role

diagramElement

Constant

value:double

Constant

value:double

Variable

initilaValue:double

Variable

initilaValue:double

Equation


Equation


ExecutableModel


ExecutableModel


MatlabODEModel


MatlabODEModel


Meta model

Dynamics model

n

n

n

n

Diagram viewer/editor

Modeling tools MATLAB

XML

XSLT

HTML publisher

Database search engine

Graph layout & search engine

Database module

Formalized description and graphic notation for biological pathways

Diagram types- pathway - pathway simulation - generalized pathway

Интегрированное решение

BioUML полностью обеспечивает процесс визуального построения модели и ее расчета, начиная с поиска информации в базах данных и заканчивая автоматической генерацией выполняемой модели.

Основные достоинства BioUML

Расширяемое решение

1) Возможность добавлять новые типы диаграмм и новые типы данных, причем для других типов систем, отличных от биологических.

2) Возможность подключать различные базы данных по биологии в виде отдельных модулей.

3) Возможность добавлять программные модули для анализа и моделирования.


Открытое решение

Система BioUML и ее исходные тексты свободно доступны (GNU LGPL license).

http://www.biosoft.ru/biouml.net/


Documents

BioUML интегрированная расширяемая среда для моделирования биологических систем Biosoft.Ru Лабоработория