un Schéma du système de réaction-transport dans SMART. En considérant les relations topologiques entre les différents compartiments cellulaires et les informations sur les réactions entre les espèces, les flux à travers les frontières et les taux de diffusion des espèces individuelles, SMART assemble un système d’équations par éléments finis. Un seul modèle dans SMART peut inclure à la fois des espèces de volume (cercles en encadré) et des espèces de surface (rectangles en encadré) qui peuvent toutes diffuser et réagir. bGéométrie de cellules entières avec organites segmentés issues de la microscopie électronique en volume. c, libération de Ca2+ depuis le RE dans une géométrie réaliste. À titre d’illustration, un flux de fuite moléculaire linéaire provenant du RE (jleak = νleak(cER − ci)) a été supposé à partir de t = 0, où jleak est le flux total, νleak est la perméabilité de la fuite et cER et ci sont les concentrations de Ca2+. dans le RE et le cytosol, respectivement. Cette géométrie ER réaliste a été dérivée de micrographies électroniques d’épines dendritiques27, et tout le rendu a été réalisé dans Paraview61. Le schéma de la cellule entière un a été créé avec BioRender.com. b adapté de la réf. 2, Springer Nature Ltée.
Des chercheurs de l’Université de Californie à San Diego ont créé et évalué des algorithmes de modélisation spatiale pour les réactions et le transport (SMART), un progiciel conçu pour simuler des réseaux de signalisation cellulaire – des interactions moléculaires complexes qui permettent aux cellules de répondre à divers signaux environnementaux. Ces réseaux impliquent plusieurs étapes et sont fortement influencés par la structure tridimensionnelle des cellules et des composants subcellulaires, ce qui les rend difficiles à modéliser avec les outils existants. L’approche de l’équipe pourrait bénéficier à la recherche en biologie des systèmes, en pharmacologie et en génie biomédical.
Les chercheurs ont testé SMART dans plusieurs systèmes biologiques à différentes échelles. Leurs travaux portaient sur la signalisation cellulaire en réponse à des signaux adhésifs, la libération de calcium dans les neurones et les cellules du muscle cardiaque, ainsi que la production d’ATP dans un modèle détaillé d’une seule mitochondrie. En offrant une méthode flexible, précise et efficace pour modéliser les réseaux de signalisation cellulaire, le logiciel pourrait approfondir la compréhension des processus cellulaires et éclairer le développement de nouveaux traitements pour les maladies humaines.
L’étude a été publiée dans Science informatique de la nature. Il était dirigé par Emmet Francis, Ph.D., boursier postdoctoral de l’American Society for Engineering Education, et supervisé par le professeur Padmini Rangamani, Ph.D. Tous deux sont affiliés au département de pharmacologie de la faculté de médecine de l’UC San Diego et au département de génie mécanique et aérospatial de la faculté d’ingénierie Jacobs de l’UC San Diego. La version initiale de SMART a été écrite par Justin Laughlin, Ph.D., lors de ses études supérieures dans le groupe de Rangamani.
SMART fait partie d’une collaboration avec une équipe de recherche dirigée par Marie Rognes, Ph.D., au laboratoire de recherche Simula à Oslo, en Norvège. Le projet a reçu le soutien de plusieurs organisations, dont la National Science Foundation, la Wu Tsai Human Performance Alliance, l’Air Force Office of Scientific Research, la Hartwell Foundation, le Kavli Institute of Brain and Mind, le Conseil européen de la recherche, le Conseil de recherche de Norvège, le Centre KG Jebsen pour la recherche sur les fluides cérébraux et la Fondation Fulbright.
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