Regelbasierte Modellierung - Rule-based modeling

Regelbasierte Modellierung ist ein Modellierungsansatz , der eine Reihe von Regeln verwendet, die indirekt ein mathematisches Modell angeben. Der Regelsatz kann entweder in ein Modell wie Markov-Ketten oder Differentialgleichungen übersetzt oder mit Werkzeugen behandelt werden, die anstelle eines übersetzten Modells direkt mit dem Regelsatz arbeiten, da letzteres normalerweise viel größer ist. Die regelbasierte Modellierung ist besonders effektiv in Fällen, in denen der Regelsatz erheblich einfacher ist als das implizierte Modell, was bedeutet, dass das Modell eine wiederholte Manifestation einer begrenzten Anzahl von Mustern ist. Ein wichtiger Bereich, in dem dies häufig der Fall ist, sind biochemische Modelle lebender Organismen. Gruppen von einander entsprechenden Substanzen unterliegen sich gegenseitig entsprechenden Wechselwirkungen.

BioNetGen ist eine Reihe von Softwaretools, mit denen mathematische Modelle aus gewöhnlichen Differentialgleichungen generiert werden können, ohne die Gleichungen direkt zu generieren . Im Folgenden finden Sie beispielsweise eine Beispielregel im BioNetGen-Format:

Wo:

  1. A (a, a): Repräsentiert eine Modellspezies A mit zwei freien Bindungsstellen a
  2. B (b): Repräsentiert eine Modellspezies B mit einer freien Bindungsstelle
  3. A (a! 1) .B (b! 1): Repräsentiert Modellspezies, bei denen mindestens eine Bindungsstelle von A an die Bindungsstelle von B gebunden ist

Mit der obigen Codezeile erstellt BioNetGen automatisch eine ODE für jede Modellart mit der richtigen Massenbilanz. Zusätzlich wird eine zusätzliche Spezies erzeugt, da die obige Regel impliziert, dass zwei B-Moleküle an ein einzelnes A-Molekül binden können, da es zwei Bindungsstellen gibt. Daher werden die folgenden Arten erzeugt:

4. A (a! 1, a! 2) .B (b! 1) .B (b! 2): Molekül A, wobei beide Bindungsstellen von zwei verschiedenen B-Molekülen besetzt sind.

Für biochemische Systeme

Zu den frühen Bemühungen, regelbasierte Modellierung bei der Simulation biochemischer Systeme zu verwenden, gehören die stochastischen Simulationssysteme StochSim

Ein weit verbreitetes Werkzeug zur regelbasierten Modellierung biochemischer Netzwerke ist BioNetGen. Es wird unter der GNU GPL , Version 3, veröffentlicht. BioNetGen enthält eine Sprache zur Beschreibung chemischer Substanzen, einschließlich der Zustände, die sie annehmen können, und der Bindungen, die sie eingehen können. Diese Regeln können verwendet werden, um ein Reaktionsnetzwerkmodell zu erstellen oder um Computersimulationen direkt am Regelsatz durchzuführen . Das biochemische Modellierungsframework Virtual Cell enthält einen BioNetGen-Interpreter.

Eine enge Alternative ist die Kappa-Sprache. Eine weitere Alternative ist die Sprache BioChemical Space.

Verweise