Singulator, un simulador computacional de procesos celulares de interese biotecnolóxico e biomédico

Como un simulador in silico de fenómenos celulares de interese biotecnolóxico e biomédico. Así se presenta Singulator, unha ferramenta computacional para o modelado e simulación de procesos celulares a moi fina escala desenvolvida no marco da súa tese de doutoramento por Gael Pérez, investigador do Grupo Sistemas Informáticos de Nova Xeración (Sing) da Universidade de Vigo.

A tese foi presentada este curso académico baixo a dirección de Analia María García e Nuno Azevedo. “O obxectivo principal desta tese foi o desenvolvemento de novos recursos e ferramentas computacionais para o modelado e simulación, en ambientes tridimensionais e continuos, de procesos celulares”, explica o enxeñeiro informático. Sobre a relevancia deste traballo indica como “por mor de diversos motivos, como o descoñecemento de mecanismos celulares ou o ruído biolóxico, os experimentos realizados en laboratorios (experimentos in vitro) poden producir resultados pouco precisos con respecto aos observados dentro dun organismo (experimentos in vivo)”. A maiores, engade, os experimentos in vitro supoñen un custo económico e temporal potencialmente elevado. Por todas estas razóns, detalla o xa doutor, “cada vez é máis habitual o uso dun terceiro tipo de experimentos, máis económicos en canto a diñeiro e tempo, baseados en simulacións realizadas por computadora, que son os experimentos in silico”.

“As simulacións realizadas por ordenador ofrecen unha alternativa válida de análise, posto que os modelos computacionais pódense desenvolver e axustar con maior facilidade á información dispoñible”, comenta o investigador da Escola Superior de Enxeñaría Informática do campus de Ourense. Tendo en conta esta premisa, a liña de investigación principal que seguiu na súa tese foi a de realizar experimentos in silico con aplicación en áreas da biotecnoloxía e biomedicina, mediante a creación e utilización dunha plataforma para a simulación de modelos baseados en axentes capaz de recibir modelos biolóxicos e simular os seus datos. “Estas simulacións xeran unha serie de resultados que son examinados por biólogos expertos co fin de dilucidar se os datos obtidos son coherentes coa realidade”, comenta.

Modelos baseados en axentes

Na actualidade, detalla Gael Pérez, unha das principais formas de executar estas simulacións é mediante a utilización de modelos baseados en axentes (Abm). Os Abm, comenta o enxeñeiro informático, están compostos por axentes (entidades autónomas), regras (lóxicas ou matemáticas), un ambiente de simulación e un conxunto inicial de condicións que definen o ambiente. A súa tese, comenta o investigador, “explora distintas técnicas e aplicacións computacionais para o modelado e a simulación de procesos biolóxicos” e céntrase na interpretación e simulación do desenvolvemento biolóxico de procesos celulares a escala molecular mediante unha plataforma baseada en axentes do modelo biolóxico.

Segundo explica o seu autor, na tese “realizouse o desenvolvemento, a integración e o axuste de numerosos algoritmos que permitiron describir fenómenos biofísicos e bioquímicos básicos, tales como a difusión molecular, a cinética encimática ou o tempo”. Grazas a isto, engade Gael Pérez, foi posible a creación de modelos biolóxicos que permitiron a simulación de distintos casos experimentais, como a representación de difusión de sustancias na membrana celular, a representación de distintas interaccións moleculares e a representación de quorum sensing entre células de distintos organismos. Para poder levar a cabo as simulacións destes modelos biolóxicos, engade o enxeñeiro informático, foi necesario o desenvolvemento dunha plataforma, Singulator, baseada en axentes capaz de soportar espazos continuos en tres dimensións. Con este fin, desenvolveuse un sistema que permite interpretar e simular a información dos distintos modelos. Ademais, para que biólogas e biólogos puideran aproveitar todo o potencial da plataforma, detalla o investigador, desenvolveuse unha interface gráfica adaptada ás súas necesidades, de maneira que poden crear os distintos modelos biolóxicos con todos os datos necesarios para a súa posterior simulación. Por último, de cara a aumentar a eficiencia do simulador e a permitir simular casos biolóxicos cada vez máis complexos, desenvolvéronse no marco deste traballo estratexias computacionais de altas prestacións.

Todo este coñecemento foi recollido e posto a disposición das persoas interesadas na ferramenta Singulator. “A usabilidade e a achega científica do simulador e dos modelos biolóxicos xerados durante esta tese queda patente pola crecente cantidade de estudos que fan uso das publicacións asociadas a estes traballos”, comenta por último o investigador do campus de Ourense.