[論文レビュー] COEL: A Web-based Chemistry Simulation Framework

Peter Banda, Drew Blount+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 15, 2014

Gene Regulatory Network Analysis参考文献 21被引用数 5

ひとこと要約

COEL は、クラウドベースの計算グリッドを用いて、共同でリアルタイムに化学反応ネットワーク（CRN）のモデリングとシミュレーションを可能にする、画期的なウェブベースの化学シミュレーションフレームワークである。ODEおよび確率的シミュレーション、DNAストランドディスプレースメントの可視化、GA最適化、SBML/Matlabエクスポートといった機能を備え、従来のデスクトップベースのツールに対する、セキュアでスケーラブルかつ使いやすい代替手段を提供する。

ABSTRACT

The chemical reaction network (CRN) is a widely used formalism to describe macroscopic behavior of chemical systems. Available tools for CRN modelling and simulation require local access, installation, and often involve local file storage, which is susceptible to loss, lacks searchable structure, and does not support concurrency. Furthermore, simulations are often single-threaded, and user interfaces are non-trivial to use. Therefore there are significant hurdles to conducting efficient and collaborative chemical research. In this paper, we introduce a new enterprise chemistry simulation framework, COEL, which addresses these issues. COEL is the first web-based framework of its kind. A visually pleasing and intuitive user interface, simulations that run on a large computational grid, reliable database storage, and transactional services make COEL ideal for collaborative research and education. COEL's most prominent features include ODE-based simulations of chemical reaction networks and multicompartment reaction networks, with rich options for user interactions with those networks. COEL provides DNA-strand displacement transformations and visualization (and is to our knowledge the first CRN framework to do so), GA optimization of rate constants, expression validation, an application-wide plotting engine, and SBML/Octave/Matlab export. We also present an overview of the underlying software and technologies employed and describe the main architectural decisions driving our development. COEL is available at http://coel-sim.org for selected research teams only. We plan to provide a part of COEL's functionality to the general public in the near future.

研究の動機と目的

• 共同作業の欠如、データ永続性の低さ、スケーラブルでないデプロイメントといった、従来のデスクトップベースの化学シミュレーションツールの限界を解消すること。
• トランザクションベースのデータベースストレージを備えた中央集権的でクラウドホスティングされたプラットフォームを通じて、化学モデルにおけるリアルタイムでマルチユーザーによる共同作業を可能にすること。
• インストール不要で、あらゆるデバイスから即座にアクセス可能な、現代的で直感的なウェブインターフェースを提供すること。
• すべてのモデルと結果を構造的で検索可能かつバックアップ済みのデータベースに保存することで、長期的なデータ整合性と再現可能性を確保すること。
• ODEおよび確率的（ギルズビー）シミュレーション、反応速度定数の最適化、DNAストランドディスプレースメントの可視化といった高度なシミュレーション機能を統合すること。

提案手法

• クロスプラットフォームのアクセス性を実現するため、モダンなウェブ技術を用いたレスポンシブUIを備えたウェブベースのクライアント・サーバー・アーキテクチャを活用する。
• GridGainを介して計算グリッドを活用し、クライントのデバイスからシミュレーションワークロードを遠隔サーバーにオフロードすることで、スケーラブルかつ並列実行を可能にする。
• 関係データベースを用い、毎日バックアップすることで、モデル、結果、メタデータを構造的で検索可能な形式に保存し、データ永続性と再現性を向上させる。
• シミュレーションデータおよびモデルのダイナミクスのリアルタイムで埋め込み可能な可視化に、Google Chartsを統合する。
• 既存のツールやワークフローとの相互運用性を確保するため、SBML、Octave、Matlabエクスポートをサポートする。
• Apache Mavenによる依存関係管理とJUnitによる自動テストを活用し、モジュラーなソフトウェアスタックを実装することで、保守性と信頼性を確保する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ウェブベースのフレームワークは、共同作業を可能にするという点で、従来のデスクトップツールに代わって化学反応ネットワークのシミュレーションを効果的に実行できるか？
• RQ2 中央集権的で構造化されたデータベースストレージによって、計算化学研究における長期的なデータ永続性と再現性は、どのように向上できるか？
• RQ3 ローカルのシングルスレッド実行と比較して、クラウドベースの計算グリッドは、シミュレーションのパフォーマンスとスケーラビリティをどの程度向上できるか？
• RQ4 DNAストランドディスプレースメント可視化や遺伝的アルゴリズムベースの速度定数最適化といった高度な機能を統合したウェブプラットフォームの利点は何か？
• RQ5 統合的でアクセスしやすく拡張可能なプラットフォームは、システム化学および合成生物学分野における研究の入り口を下げるのと同時に、共同作業をどのように改善できるか？

主な発見

• COEL は、インストール不要のセキュアなウェブインターフェースを通じて、化学反応ネットワークのリアルタイムで共同可能なモデリングとシミュレーションを成功裏に実現した。
• 毎日バックアップが行われるトランザクションベースの中央集権データベースの使用により、データ永続性が顕著に向上し、研究分野におけるデータ損失のリスクが著しく低減された。
• シミュレーションワークロードが計算グリッドに効率的にオフロードされ、高価なクライントハードウェアを必要とせずに高性能な実行が可能になった。
• COEL は、ODEベースおよび確率的（ギルズビー）シミュレーションを含む高度なシミュレーションタイプをサポートしており、LSODAソルバーやギルズビー法の統合を計画しており、精度の向上が期待される。
• COEL は、DNAストランドディスプレースメントの可視化や、GAベースの速度定数最適化といった、多くの既存ツールにはないユニークな機能を提供している。
• COEL は、化学パーセプトロン、遅延ライン、時系列学習器、ランダムDNA回路に関する研究で実際に使用されており、非伝統的なコンピューティング応用分野における実用性を示している。