Комплексный подход для формального описания, графического представления имоделирования широкого круга биологических и других

Организм
Органы
Ткани
Клетки
Метаболические пути
Генные сети
Химически
вещества
(~1000)
Белки
и их комплексы
(~ 100 000)
Гены
(~40 000)
Базы данных
(более 500 баз данных, общий объем сотни гигабайт)

Сейчас у нас есть беспрецендентная возможность собирать и накапливать данные о природе, тем не менее в современной биологии развивается кризис, который состоит в том что полностью неструктрированные данные не улучшают нашего понимания. Нам нужна система (framework) в которую мы могли бы поместить все эти знания и данные – это то и становится проблемой в биологии.
Мы достигли уровня когда мы больше не можем разговаривать друг с другом – мы стали слишком специализированы. Нам нужна система, используя которую люди могли бы сказать: “Да, я понял.”. Создание такой системы является действительно большим вызовом.
Sydney Brenner, 2003
Сидней Бреннер, лауреат Нобелевской премии 2002 года в области медицины

BioUML - Biological Unified Modeling Language

A
B
eq1
eq2
R1
C
eq3
eq4
R2
Соответствующая ему математическая модель
Пример двух последовательных химических реакций
100
0
0

A
B
eq1
eq2
R1
C
eq3
eq4
R2
100
0
0
Описание структуры системы в виде графа
Математическая модель
системы
Описание компонентов
системы в базе данных
ID A
CC ..
...
//
ID R1
A->B
...
//
ID B
CC ..
...
//
ID R2
B->C
...
//
ID C
CC ..
...
//
A
B
eq1
eq2
R1
C
eq3
eq4
R2
100
0
0
BioUML мета-модель позволяет описать сложную систему на 3 уровнях

Основные классы BioUML мета-модели
для описания структуры графа

Основные классы BioUML мета-модели
для моделирвания динамики сложных систем

Типа диаграммы и связанные понятия:
diagram view builder
semantic controller
-diagram filter

diagram, executableModel?)>
version CDATA "0.9.2"
appVersion CDATA "0.7.0" >
diagramType CDATA #REQUIRED
>

"kernel" attribute contains complete path for data
element used as kernel; currently path is relative
module/Data
"shape" attribute possible values are:
0-rectangle; 1-round_rectangle; 2-oval
-->
kernel CDATA #REQUIRED
x CDATA #REQUIRED
y CDATA #REQUIRED
width CDATA #REQUIRED
height CDATA #REQUIRED
title CDATA
comment CDATA
shape CDATA "0"
color CDATA "255, 255, 255"
>

kernel CDATA #REQUIRED
title CDATA
comment CDATA
x CDATA
y CDATA
>
kernel CDATA #REQUIRED
in CDATA #REQUIRED
out CDATA #REQUIRED
title CDATA
comment CDATA
inPort CDATA
outPort CDATA
>

equation*)>
class CDATA #REQUIRED
initialTime CDATA #REQUIRED
completionTime CDATA #REQUIRED
comment CDATA
>
name CDATA #REQUIRED
value CDATA #REQUIRED
units CDATA
comment CDATA
>

diagramElement CDATA #REQUIRED
initialValue CDATA "0.0"
boundaryCondition CDATA "false"
showInPlot CDATA "true"
plotLineSpec CDATA "-"
units CDATA
comment CDATA
>
"diagramElement" attribute - diagram element name
"type" attribute - equation type.
Possible values are: algebraic, rate or scalar. -->
diagramElement CDATA #REQUIRED
variable CDATA #REQUIRED
formula CDATA #REQUIRED
type CDATA "rate"
units CDATA
comment CDATA
>

Концепция модуля
Чтобы обеспечить интеграцию различных баз данных в среду BioUML, мы вводим концепцию модуля.
Как правило, модуль создается для отдельной базы данных и определяет способ представления информации из этой базы данных в виде объектов языка Java. Модуль также может содержать специфичные для этой базы данных типы диаграмм и способы их графического отображения.

Концепция модуля

Система поиска взаимодействующих друг с другом компонентов биологических систем

Универсальная система поиска информации по базам данных

Модули
BioUML standard – стандартный модуль для описания и моделирования биологических систем (преимущественно на молекулярно-клеточном уровне)
SBML – Systems Biology Markup Language, level 1
http:// www.sbml.org
GeneNet - база данных по генным сетям
ИЦиГ, Новосибирск, http://wwwmgs.bionet.nsc.ru
KEGG/Ligand - Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes, база данных метаболических путей
Kyoto University, Japan, http://www.kegg.com
TRANSPATH - база данных по путям передачи сигнала в клетке Biobase GmbH, Germany.

SBML – Systems Biology Markup Language, level 2
http:// www.sbml.org
CellML – Cell Markup Language
http://www.cellml.org
GO – Gene Ontology
http://wwwmgs.bionet.nsc.ru
UMLS – Unified Medical Language System
http://www.nlm.nih.gov/research/umls/
BioPax – Biological Pathways Exchange
http://www.biopax.org