Simulation and database software for computational systems biology : PySCes and JWS Online
Date
2005-03
Authors
Olivier, Brett Gareth
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Stellenbosch : Stellenbosch University
Abstract
ENGLISH ABSTRACT: Since their inception, biology and biochemistry have been spectacularly successful in
characterising the living cell and its components. As the volume of information about
cellular components continues to increase, we need to ask how we should use this information
to understand the functioning of the living cell?
Computational systems biology uses an integrative approach that combines theoretical
exploration, computer modelling and experimental research to answer this question.
Central to this approach is the development of computational models, new modelling
strategies and computational tools. Against this background, this study aims to: (i) develop
a new modelling package: PySCeS, (ii) use PySCeS to study discontinuous behaviour
in a metabolic pathway in a way that was very difficult, if not impossible, with
existing software, (iii) develop an interactive, web-based repository (JWS Online) of cellular
system models.
Three principles that, in our opinion, should form the basis of any new modelling
software were laid down: accessibility (there should be as few barriers as possible to
PySCeS use and distribution), flexibility (pySCeS should be extendable by the user, not
only the developers) and usability (PySCeS should provide the tools we needed for our
research). After evaluating various alternatives we decided to base PySCeS on the freely
available programming language, Python, which, in combination with the large collection
of science and engineering algorithms in the SciPy libraries, would give us a powerful
modern, interactive development environment.
AFRIKAANSE OPSOMMING: Sedert hul totstandkoming was biologie en, meer spesifiek, biochemie uiters suksesvol in die karakterisering van die lewende sel se komponente. Steeds groei die hoeveelheid informasie oor die molekulêre bestanddele van die sel daagliks; ons moet onself dus afvra hoe ons hierdie informasie kan integreer tot 'n verstaanbare beskrywing van die lewende sel se werking. Om dié vraag te beantwoord gebruik rekenaarmatige sisteembiologie 'n geïntegreerde benadering wat teorie, rekenaarmatige modellering en eksperimenteeIe navorsing kombineer. Sentraal tot die benadering is die ontwikkeling van nuwe modelle, strategieë vir modellering, en sagteware. Teen hierdie agtergrond is die hoofdoelstelling van hierdie projek: (i) die ontwikkeling van 'n nuwe modelleringspakket, PySCeS (ii) die benutting van PySCeS om diskontinue gedrag in n metaboliese sisteem te bestudeer (iets wat met die huidiglik beskikbare sagteware redelik moeilik is), (en iii) die ontwikkeling vann interaktiewe, internet-gebaseerde databasis van sellulêre sisteem modelle, JWS Online. Ons is van mening dat nuwe sagteware op drie belangrike beginsels gebaseer behoort te wees: toeganklikheid (die sagteware moet maklik bekombaar en bruikbaar wees), buigsaamheid (die gebruiker moet self PySCeS kan verander en ontwikkel) en bruikbaarheid (al die funksionalitiet wat ons vir ons navorsing nodig moet in PySCeS ingebou wees). Ons het verskeie opsies oorweeg en besluit om die vrylik verkrygbare programmeringstaal, Python, in samehang die groot kolleksie wetenskaplike algoritmes, SciPy, te gebruik. Hierdie kombinasie verskaf n kragtige, interaktiewe ontwikkelings- en gebruikersomgewing. PySCeS is ontwikkel om onder beide die Windows en Linux bedryfstelsels te werk en, meer spesifiek, om gebruik te maak van 'n 'command line interface'. Dit beteken dat PySCeS op enige interaktiewe rekenaar-terminaal Python ondersteun sal werk. Hierdie eienskap maak ook moontlik die gebruik van PySCeS as 'n modelleringskomponent in 'n groter sagteware pakket onder enige bedryfstelsel wat Python ondersteun. PySCeS is op 'n modulere ontwerp gebaseer, wat dit moontlik vir die eindgebruiker maak om die sagteware se bronkode verder te ontwikkel. As 'n toepassing is PySCeS gebruik om die oorsaak van histeretiese gedrag van 'n lineêre, eindproduk-geïnhibeerde metaboliese pad te ondersoek. Ons het hierdie interessante gedrag in 'n vorige studie ontdek, maar kon nie, met die sagteware wat op daardie tydstip tot ons beskikking was, hierdie studie voortsit nie. Met PySCeS se ingeboude vermoë om parameter kontinuering te doen, kon ons die oorsake van hierdie diskontinuë gedrag volledig karakteriseer. Verder het ons 'n nuwe metode ontwikkel om hierdie gedrag te visualiseer as 'n interaksie tussen die volledige sisteem se subkomponente. Tydens PySCeS se ontwikkeling het ons opgemerk dat dit baie moeilik was om metaboliese modelle wat in die literature gepubliseer is te herbou en te bestudeer. Hierdie situasie is grotendeels die gevolg van die feit dat nêrens 'n sentrale databasis vir metaboliese modelle bestaan nie (soos dit wel bestaan vir genomiese data of proteïen strukture). Die JWS Online databasis is spesifiek ontwikkel om hierdie leemte te vul. JWS Online maak dit vir die gebruiker moontlik om, via die internet en sonder die installasie van enige gespesialiseerde modellerings sagteware, gepubliseerde modelle te bestudeer en ook af te laai vir gebruik met ander modelleringspakkette soos bv. PySCeS. JWS Online het alreeds 'n onmisbare hulpbron vir sisteembiologiese navorsing en onderwys geword.
AFRIKAANSE OPSOMMING: Sedert hul totstandkoming was biologie en, meer spesifiek, biochemie uiters suksesvol in die karakterisering van die lewende sel se komponente. Steeds groei die hoeveelheid informasie oor die molekulêre bestanddele van die sel daagliks; ons moet onself dus afvra hoe ons hierdie informasie kan integreer tot 'n verstaanbare beskrywing van die lewende sel se werking. Om dié vraag te beantwoord gebruik rekenaarmatige sisteembiologie 'n geïntegreerde benadering wat teorie, rekenaarmatige modellering en eksperimenteeIe navorsing kombineer. Sentraal tot die benadering is die ontwikkeling van nuwe modelle, strategieë vir modellering, en sagteware. Teen hierdie agtergrond is die hoofdoelstelling van hierdie projek: (i) die ontwikkeling van 'n nuwe modelleringspakket, PySCeS (ii) die benutting van PySCeS om diskontinue gedrag in n metaboliese sisteem te bestudeer (iets wat met die huidiglik beskikbare sagteware redelik moeilik is), (en iii) die ontwikkeling vann interaktiewe, internet-gebaseerde databasis van sellulêre sisteem modelle, JWS Online. Ons is van mening dat nuwe sagteware op drie belangrike beginsels gebaseer behoort te wees: toeganklikheid (die sagteware moet maklik bekombaar en bruikbaar wees), buigsaamheid (die gebruiker moet self PySCeS kan verander en ontwikkel) en bruikbaarheid (al die funksionalitiet wat ons vir ons navorsing nodig moet in PySCeS ingebou wees). Ons het verskeie opsies oorweeg en besluit om die vrylik verkrygbare programmeringstaal, Python, in samehang die groot kolleksie wetenskaplike algoritmes, SciPy, te gebruik. Hierdie kombinasie verskaf n kragtige, interaktiewe ontwikkelings- en gebruikersomgewing. PySCeS is ontwikkel om onder beide die Windows en Linux bedryfstelsels te werk en, meer spesifiek, om gebruik te maak van 'n 'command line interface'. Dit beteken dat PySCeS op enige interaktiewe rekenaar-terminaal Python ondersteun sal werk. Hierdie eienskap maak ook moontlik die gebruik van PySCeS as 'n modelleringskomponent in 'n groter sagteware pakket onder enige bedryfstelsel wat Python ondersteun. PySCeS is op 'n modulere ontwerp gebaseer, wat dit moontlik vir die eindgebruiker maak om die sagteware se bronkode verder te ontwikkel. As 'n toepassing is PySCeS gebruik om die oorsaak van histeretiese gedrag van 'n lineêre, eindproduk-geïnhibeerde metaboliese pad te ondersoek. Ons het hierdie interessante gedrag in 'n vorige studie ontdek, maar kon nie, met die sagteware wat op daardie tydstip tot ons beskikking was, hierdie studie voortsit nie. Met PySCeS se ingeboude vermoë om parameter kontinuering te doen, kon ons die oorsake van hierdie diskontinuë gedrag volledig karakteriseer. Verder het ons 'n nuwe metode ontwikkel om hierdie gedrag te visualiseer as 'n interaksie tussen die volledige sisteem se subkomponente. Tydens PySCeS se ontwikkeling het ons opgemerk dat dit baie moeilik was om metaboliese modelle wat in die literature gepubliseer is te herbou en te bestudeer. Hierdie situasie is grotendeels die gevolg van die feit dat nêrens 'n sentrale databasis vir metaboliese modelle bestaan nie (soos dit wel bestaan vir genomiese data of proteïen strukture). Die JWS Online databasis is spesifiek ontwikkel om hierdie leemte te vul. JWS Online maak dit vir die gebruiker moontlik om, via die internet en sonder die installasie van enige gespesialiseerde modellerings sagteware, gepubliseerde modelle te bestudeer en ook af te laai vir gebruik met ander modelleringspakkette soos bv. PySCeS. JWS Online het alreeds 'n onmisbare hulpbron vir sisteembiologiese navorsing en onderwys geword.
Description
Thesis (PhD)--Stellenbosch University, 2005.
Keywords
Biological systems -- Computer simulation, Molecular biology -- Data processing, Cytology -- Data processing, Cytology -- Mathematical models, Cytology -- Computer simulation, Biochemistry -- Computer simulation, Dissertations -- Biochemistry