[논문 리뷰] COEL: A Web-based Chemistry Simulation Framework

Peter Banda, Drew Blount외 1명|arXiv (Cornell University)|2014. 07. 15.

Gene Regulatory Network Analysis참고 문헌 21인용 수 5

한 줄 요약

COEL은 클라우드 기반 컴퓨팅 그룹을 사용하여 공동으로 실시간으로 화학 반응 네트워크(CRN) 모델링 및 시뮬레이션을 가능하게 하는 혁신적인 웹 기반 화학 시뮬레이션 프레임워크이다. ODE 및 스토케스틱 시뮬레이션, DNA-스트랜드 디스플레이 시각화, GA 최적화, SBML/Matlab 내보내기 등의 기능을 제공하여 기존 데스크톱 기반 도구에 비해 보다 안전하고 확장 가능하며 사용자 친화적인 대안을 제공한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 협업 기능 부족, 데이터 지속성 열악함, 확장성 부족 등의 문제점을 겪는 데스크톱 기반 화학 시뮬레이션 도구의 한계를 해결한다.
• 중앙집중식 클라우드 호스팅 플랫폼과 트랜잭션 기반 데이터베이스 스토리지로 다중 사용자 실시간 협업을 가능하게 한다.
• 설치가 필요 없고 다양한 기기에서 즉시 접근 가능한 현대적이고 직관적인 웹 인터페이스를 제공한다.
• 구조화되고 검색 가능한 백업된 데이터베이스에 모든 모델과 결과를 저장함으로써 장기적인 데이터 무결성과 재현 가능성을 확보한다.
• ODE 및 스토케스틱(Gillespie) 시뮬레이션, 반응 속도 상수 최적화, DNA-스트랜드 디스플레이 시각화와 같은 고급 시뮬레이션 기능을 통합한다.

제안 방법

• 모던 웹 기술을 활용한 반응형 UI를 갖춘 웹 기반 클라이언트-서버 아키텍처를 통해 다중 플랫폼 접근성을 확보한다.
• GridGain를 통해 컴퓨팅 그룹을 활용해 클라이언트 기기의 시뮬레이션 워크로드를 원격 서버로 이관함으로써 확장 가능하고 병렬 실행이 가능한 환경을 제공한다.
• 관계형 데이터베이스를 사용하여 매일 백업하는 방식으로 모델, 결과, 메타데이터를 구조화되고 검색 가능한 형식으로 저장함으로써 데이터 지속성과 재현 가능성을 향상시킨다.
• 실시간으로 통합된 시뮬레이션 데이터 및 모델 동역학을 위한 시각화를 위해 Google Charts를 통합한다.
• 기존 도구 및 워크플로우와의 상호운용성을 위해 SBML, Octave, Matlab 내보내기 기능을 지원한다.
• 의존성 관리를 위한 Apache Maven과 자동화된 테스팅을 위한 JUnit을 활용한 모듈러한 소프트웨어 스택을 구현하여 유지보수성과 신뢰성을 확보한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 웹 기반 프레임워크가 전통적인 데스크톱 도구를 대체하여 화학 반응 네트워크 시뮬레이션을 실시간 협업 기능과 함께 효과적으로 수행할 수 있는가?
• RQ2 중앙집중식으로 구조화된 데이터베이스 스토리지 방식을 통해 계산 화학 연구에서 장기적인 데이터 지속성과 재현 가능성을 어떻게 향상시킬 수 있는가?
• RQ3 로컬 단일 스레드 실행 대비 클라우드 기반 컴퓨팅 그룹이 시뮬레이션 성능과 확장성에 얼마나 기여하는가?
• RQ4 통합 웹 플랫폼에 DNA-스트랜드 디스플레이 시각화 및 유전 알고리즘 기반 반응 속도 상수 최적화와 같은 고급 기능을 통합함으로써 얻는 이점은 무엇인가?
• RQ5 통합적이고 접근성 있으며 확장 가능한 플랫폼은 시스템 화학 및 합성 생물학 연구 분야에서 진입 장벽을 어떻게 낮추고 협업을 향상시킬 수 있는가?

주요 결과

• COEL은 설치가 필요 없고 보안이 확보된 웹 인터페이스를 통해 실시간으로 공동으로 화학 반응 네트워크 모델링 및 시뮬레이션을 성공적으로 수행한다.
• 매일 백업되는 트랜잭션 기반 중앙집중식 데이터베이스의 사용은 데이터 지속성을 크게 향상시키며, 과학 연구에서의 데이터 손실 위험을 줄이는 데 기여한다.
• 시뮬레이션 워크로드가 효율적으로 컴퓨팅 그룹으로 이관되어 고성능 실행이 가능하며, 고사양 클라이언트 하드웨어가 필요 없도록 한다.
• COEL은 ODE 기반 및 스토케스틱(Gillespie) 시뮬레이션을 지원하며, 향후 정확도 향상을 위해 LSODA 솔버와 Gillespie 방법 통합 계획이 수립되어 있다.
• COEL은 기존 대부분의 도구에서 제공하지 않는 독창적 기능인 DNA-스트랜드 디스플레이 시각화 및 GA 기반 반응 속도 상수 최적화를 제공한다.
• COEL은 화학 퍼셉트론, 딜레이 라인, 타임시리즈 학습기, 무작위 DNA 회로에 대한 연구에서 성공적으로 활용되어 비표준 계산 응용 분야에서의 유용성을 입증했다.