[논문 리뷰] Modelling intracellular signalling networks using behaviour-based systems and the blackboard architecture

Pedro Pablo González Pérez, Carlos Gershenson외 2명|ArXiv.org|2002. 11. 22.

Gene Regulatory Network Analysis참고 문헌 14인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 행동 기반 시스템과 블랙보드 아키텍처를 융합한 하이브리드 모델인 Cellulat을 소개한다. 이는 세포 내 신호 전달 네트워크를 시뮬레이션하고, 인지 유사 성질을 가진 구성 요소의 행동과 공간적 구성 구조를 표현할 수 있도록 한다. 이 방법은 Ca2+ 신호 전달 경로를 성공적으로 모델링하여, 세포 내 신호 전달 가상 실험실을 구축하는 데의 가능성을 입증한다.

ABSTRACT

This paper proposes to model the intracellular signalling networks using a fusion of behaviour-based systems and the blackboard architecture. In virtue of this fusion, the model developed by us, which has been named Cellulat, allows to take account two essential aspects of the intracellular signalling networks: (1) the cognitive capabilities of certain types of networks' components and (2) the high level of spatial organization of these networks. A simple example of modelling of Ca2+ signalling pathways using Cellulat is presented here. An intracellular signalling virtual laboratory is being developed from Cellulat.

연구 동기 및 목표

• 기존 모델이 세포 내 네트워크 구성 요소의 인지 유사 행동을 표현하는 데 한계를 보이는 문제를 해결하기 위해.
• 세포 내 신호 전달 네트워크에 내재된 높은 수준의 공간적 구성 구조를 통합하기 위해.
• 복잡한 세포 신호 전달 역학을 시뮬레이션하기 위한 유연하고 확장 가능한 프레임워크를 개발하기 위해.
• 하이브리드 아키텍처를 이용한 시스템 생물학 모델링의 가능성을 입증하기 위해.
• Cellulat 프레임워크를 기반으로 세포 내 신호 전달 가상 실험실을 구축하기 위한 기초를 마련하기 위해.

제안 방법

• 다양한 구성 요소 간 문제 해결을 조율하고 공유 지식를 관리하기 위해 블랙보드 아키텍처를 채택하기 위해.
• 개별 구성 요소를 자율적이고 반응적인 행동을 가진 시스템으로 모델링하기 위해 행동 기반 시스템을 통합하기 위해.
• 구성 요소들이 공유된 블랙보드 공간을 통해 상호작용하는 계층적이고 모듈화된 설계를 사용하기 위해.
• 신호 상태의 변화 또는 공간 조건의 변화에 의해 트리거되는 규칙 기반 행동으로 구성 요소 행동을 정의하기 위해.
• 동적 재구성과 잠재적 네트워크 수준의 행동을 지원하도록 시스템을 구성하기 위해.
• 프로토타입으로서의 증명을 위해 Ca2+ 신호 전달 경로를 모델링하기 위해 프레임워크를 적용하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 행동 기반 시스템은 세포 내 신호 전달 구성 요소의 의사결정 능력을 효과적으로 모델링할 수 있는가?
• RQ2 블랙보드 아키텍처는 세포 내 신호 전달 네트워크의 복잡성과 조율 능력을 어느 정도 관리할 수 있는가?
• RQ3 인지 유사 행동과 공간적 구성 구조를 하나의 계산 프레임워크 내에서 통합할 수 있는가?
• RQ4 제안된 모델은 Ca2+ 신호 전달과 같은 동적이고 다스케일의 신호 전달 경로를 어떻게 시뮬레이션하는가?
• RQ5 이 모델을 전체 세포 내 신호 전달 가상 실험실로 확장하는 데의 가능성이 있는가?

주요 결과

• Cellulat 프레임워크는 블랙보드를 통한 중심 집중식 조율와 구성 요소의 자율적 행동을 조합하여 Ca2+ 신호 전달 경로를 성공적으로 모델링하였다.
• 이 아키텍처는 개별 구성 요소의 지능과 잠재적 네트워크 수준의 행동을 모두 표현할 수 있도록 하였다.
• 구성 요소의 위치와 상호작용 규칙를 통해 신호 전달 구성 요소의 공간적 구성 구조가 효과적으로 포착되었다.
• 모델은 확장성과 모듈성을 입증하여 종합적인 세포 내 신호 전달 가상 실험실 개발을 지원하였다.
• 행동 기반 시스템과 블랙보드 아키텍처의 통합은 시스템 생물학 시뮬레이션을 위한 민첩하고 확장 가능한 기초를 제공하였다.
• 이 방법은 변화하는 세포 내 조건에 대해 동적이고 반응적인 반응을 지원하여, 정적 모델보다 생물학적 현실에 더 가까이 모방하였다.