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E-CELL simulation environment ni okeru parameta suitei kiko no kaihatsu

Authors
Publisher
慶應義塾大学湘南藤沢学会
Publication Date

Abstract

E-CELL simulation environmentにおけるパラメータ推定機構の開発 SFC-SWP ・CELLSim山atio爪Environment におけるパラメータ推定機構の紺発 1999年 秋学期 AUTUMN 斎藤 裕介 環境情報学部4年 冨田 勝研究会 慶應義塾大学湘南藤沢学会 B{浪u」SimulationEnvironmentにおける パラメータ推定機構の開発 環境情報学部富田研究室斎藤裕介 Åbstract 近年、生化学・分子生物学の分野が発展し、様々な生物のゲノム配列が読み取られ、各遺伝子の機能も 解析されつつある。しかし、個々の遺伝子の機能が分かっても、細胞全体の振る舞いを理解することには ならない。そのためにはコンピュータによるシミュレーションが必須である。 打CmJProjectは細胞内の代謝をすべてシミュレーションすることを究極の目的として、慶応義塾大学 富田研究室で1996年に発足した。細胞シミュレーションのための汎用ソフトウェアである打CⅢ⊥System を開発し、様々な系のモデリングに取り組んでいる。 打Q弘一Projectではシミュレーション技術の向上を目指し、E-C皿⊥Systemの機能の改良にも取り組ん でいる。その一つにパラメータ推定機構の開発がある。これはモデリングの際に必要となるパラメータが 未知の場合に、その値を推定するものである。本論文ではこの機構について述べる。 細胞の状態の記述には各物質の濃度や反応速度式の各種パラメータなどの値を入力する必要がある。し かし、実験によってこれら値を得ることは不可能である。よって、そういった未知のパラメータを推定す る技術が整えば、細胞シミュレーションの可能性は格段に広がるといえる。 未知パラメータの推定はいわゆる最適化問題である。これを解決するための最適化手法として修正Powell 法・遺伝的アルゴリズムなどを導入し、その有効性を示した。また、実際にこれらをプログラミングし、 打0狙ノSystemを用いてパラメータを推定するための環境を整えた。これにより、より精密なモデルの記 述が可能になった。さらに、これらの解析手法をE-CⅢ⊥SimulationEnvironmentの解析用Moduleとし て実装し、打CEはSystemを用いたシミュレーション環境のより一一層の高機能化を図った。 共同研究者 政策・メディア研究科 高橋恒一 環境情報学部 岩田具治 指導教官 環境情報学部 富田勝教授 1 1 はじめに 1.1 E-CⅢ⊥System 打伽⊥System(高橋恒一他)[1]とは化学反応系である細胞を分子濃度レベルでシミュレーションするた めのソフトウェア環境である。特定の系を村象としない汎用的なシミュレータであり、全細胞規模のモデ リング・シミュレーションを支援するものである。 打C拉⊥Systemでは細胞の状態を物質の量の集合であらわし、それらの時間変化を常微分方程式として 表現する。細胞内の物質をSubstanceとよび、物質の分子数・濃度・名前といった情報を持つ。また化学 反応等の物質の変化を表現したものをReactorとよぶ。これはユーザが自由にモデリング可能で、打C虻⊥ System本体とは別にプログラムすることが可能なオブジェクトとなっている。また、物質の存在する空 間をSystemとよぶ。これは階層構造を構成し、細胞内の空間的な情報を表現している。このようなモデ ルをStructured Substance-ReactorModelとよぶ.。 打0Ⅱ⊥Systemを伺いたシミュレーションのための細胞モデルを記述したものをルールファイル(打CmJ RuleFile)と呼ぶ。また、E-Cm⊥Systemはシミュレーションの実行手順を記述したスクリプトファイル (打CⅢ⊥Scriptっ.ecs)を読み込むことができる。ルールおよびスクリプトファイルに従い、細胞モデルの 構築・シミュレーション環境の設定を行い、ルールの要求に従ってReactorオブジェクトを呼ぶことによ り、シミュレーションを行う。 打CEはS)rStemの外観は図1のようになっている。細胞の状態をモニタし、人為的な干渉を加えるため の数々のインタフエースを備えている。現行のE-CEはSystemが持つグラフィックユーザインタフエースは ControIPanelフルIessageWindow-Tracer†SubstancelVindowおよびRea.ctorWindowである。ControI Panelではシミュレーションの実行・停止・終了

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