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虛擬細胞模型的構建及實例

1. 虛擬細胞的構建虛擬細胞的構建過程一般分為以下幾個步驟：    第一是由生物領域專家，選擇建模對象，即選擇細胞的種類、虛擬的功能和細胞對內外環境刺激引起的反應等。     第二是建立相關數據庫。目前認為蛋白質是細胞功能的載體，基因和蛋白質是實現細胞功能的基本原件，是實現虛擬細胞的基本單元。因此，構建任何類型的虛擬細胞，都必須以蛋白質為核心，構建相關數據庫。然而，僅建立蛋白質相關數據庫對于構建虛擬細胞還是遠遠不夠的，還必須搜集大量的相關蛋白及其相互關系和生理過程的數據。在大量數據搜集的基礎上，采用“面向對象”技術（一種計算機科學方法論），依據各種物質在細胞內的位置和作用進行分類，建立數據庫，并根據各反應單元的靜態特點（如分布、結構、同源性等）和動態特征（如功能、結合和作用部位、變異、調控等）等進行分類與組合。    第三：設計與建模：這是構建虛擬細胞和人工生命中最關鍵、最核心、最復雜的一步。即依據虛擬對象——特定的細胞與功能，依據相關數據庫和系統分析，通過數學計算，將生物反應過程實現數字化模擬。再應用信息科學的理論和技術，編寫程序，建立虛擬細胞的模型。數學分析和模擬的方法依據細胞內反應物質和類型而有所不同，在細胞內常見的反應有合成分解反應、氧化還原反應、磷酸化和脫磷酸化、以及酶聯反應等。數學分析在描述這些反應時首先把這些反應分為有酶參與的反應與沒有酶參與的反應，再根據反應類型及各自的特點確定反應公式。    虛擬細胞的具體實現也有不同情況，目前美國采用J2EE實現虛擬細胞軟件系統，而日本采用C＋＋程序設計語言。其中J2EE是一個軟件開發構架，C++是一種支持面向對象方法的編程語言。虛擬細胞的數學計算一般采用“Beowulf”結構的并行計算機系統，這種計算機系統采用將多個計算機連接起來共同完成任務的工作方式，具有非常強大的計算能力。     通過數字模擬和計算機編程，不僅可以使細胞的不同物質（單元）的相互作用和反應數字化，使生物信號轉變成為可識別和處理的數字和電子信號，還可以對生物信號自動存儲、處理、分析、整合和應用。使非生命的信號“活化”成為具有人工智能的細胞模型和虛擬生命，以存儲和再現細胞功能，并可以人為進行干預，推測細胞功能、生理病理反應和藥物的作用。     第四是組裝、測試和維護：目前所構建的虛擬細胞，主要由控制界面，計算機存儲、分析和控制系統，數學計算系統和反應界面四部分組成：    控制界面：主要提供給用戶進行實際操作、可以依據用戶需要，選擇對象，輸入各種信號、參數，指令虛擬細胞進行分析和實驗。     分析和控制系統：是虛擬細胞的核心。它不僅包括各種相關的儲存數據和資料庫，還包括各種可供分析和計算的軟件和模型，以及與輸入、傳出相關的正負反饋控制體系。     反應界面：這是虛擬細胞或人工生命顯示結果的窗口，包括不同時間，不同空間，不同單元的數據、圖像、綜合與分析的結論和應對措施等。虛擬細胞構建是十分復雜的，不同的細胞、不同的虛擬對象和實現的功能，其構建的形式亦不相同，需要反復驗證和不斷完善(9,13)。

2. 虛擬細胞的模型目前國際上已有兩種虛擬細胞的模型，一個是1997年日本學者所建立的原核細胞能量代謝的模型；另一個是1999年美國學者所建立的真核細胞鈣轉運的模型。此外，美國國立衛生研究院（NIH）和能源部（DOE），正在籌建關于細胞信息傳遞和生物利用能量的虛擬細胞。

a. 虛擬原核細胞模型——日本虛擬細胞模型：     日本的虛擬細胞以細菌（M. genitalium）糖代謝過程為主要內容，它選取了127個與糖和能量代謝過程相關的基因和蛋白質作為“元件”，以細胞內能量代謝的反應過程為虛擬對象所建立的計算機模型。     這一模型主要采用面向對象方法將細胞內的物質和單元及其變化規律分為三類：“物質”、“反應”和“系統”。其中，“物質”代表了細胞參與反應的組份，包括基因、蛋白、酶等，基因表達和物質濃度的變化為物質主要的動態屬性；“反應”代表了細胞中各種反應的類型，以及這些反應的動力學方程和相關參數，“反應”的功能主要是表達參與反應的物質之間的關系和數量的變化；“系統”代表了細胞反應的特定功能、結構區、反應場所和部位。應用這一細胞模型可以模擬細胞內糖、脂肪、甘油和能量代謝過程及機理。

b.虛擬真核細胞模型——美國虛擬細胞模型：     美國的虛擬細胞以真核細胞為虛擬對象，主要由客戶端（用戶界面）、數據庫和服務器（細胞的建模）三部分組成。利用該虛擬細胞可以完成神經母細胞瘤的鈣動力學、受精卵細胞的鈣離子流、RNA的轉運、線粒體的作用和細胞核膜的作用等一系列關于真核細胞的生物學活動和功能。在使用虛擬細胞作實驗時，首先由用戶通過客戶端向服務器提交實驗“說明書”——試驗的要求和涉及的物質與反應等，服務器根據用戶對實驗的定義以及實驗細胞的模型從后臺數據庫中提取數據并應用服務器上的軟件和分析系統并進行分析和處理，完成虛擬試驗。最終的試驗結果以類似生物學實際試驗結果的形式包括圖象、表格返回給用戶。在整個驗過程中，用戶可以控制實驗的各種參數和實驗的過程。現在，這種虛擬細胞已經在網上發布，客戶可以向虛擬細胞提出要求和欲虛擬的對象，虛擬細胞便可以進行網上的演算，并向客戶提供虛擬細胞工作的結果。