BioComp - język do nauki symulacji modeli organizmów - dsl.biokomputery.pl

biocomp

BioComp “Coded Life” to propozycja języka domenowo-specyficznego (DSL) do edukacji i wdrażania biocomputingu obejmuje elementy języka opisu eksperymentów, symulacji, designu i utrzymania systemów biokomputerowych. Motto “Coded Life” Łączy w sobie koncepcję kodowania (nawiązując do aspektu programistycznego) z życiem (odnosząc się do biologicznej strony projektu).

Składnia języka

BioComp jest zaimplementowany jako skrypt jezyka python z klasami dla modelu i funkcjami przetwarzania pliku YAML, generowania symulacji i grafu. Plik biocomp.py modelu jest konwertowany do obiektow klas potrzebnyh do uruchamienia symulacji. Plik YAML zawiera potrzebne informacje do wykonania symulacji:

Definicje Molekularne
Tworzenie Biologicznych Układów Logicznych
Symulacje Eksperymentów
Drukowanie i Inżynieria BioSystemów
Monitorowanie i Utrzymanie Systemów

Zależności

pyparsing: Biblioteka do parsowania, potrzebna do przetwarzania DSL.
matplotlib: Biblioteka do tworzenia wizualizacji, użyta do generowania wykresów wyników symulacji.
numpy: Biblioteka do operacji na tablicach wielowymiarowych, używana do generowania danych do symulacji.
graphviz: The addition of the graphviz module is necessary for graph visualization.

Instalacja

Aby zainstalować te wymagania w swoim środowisku Python, wykonaj następujące kroki:

Stwórz i aktywuj wirtualne środowisko:

python -m venv env
source env/bin/activate  # Na Windows użyj: env\Scripts\activate

Zainstaluj zależności z pliku `requirements.txt`:

pip install -r requirements.txt
pip install --upgrade pip

Symulacje bramek logicznych

Uruchomienie

Aby uruchomić tę konfigurację, wykonaj następujące kroki:

Zapisz kod Python w pliku o nazwie biocomp.py.
Zapisz zawartość pliku YAML w pliku o nazwie biocomp.yaml.
Uruchom skrypt Python z pliku biocomp.py, podając plik YAML jako argument:

python biocomp.py biocomp.yaml

Wzór Przetwarzania Danych Wejściowych:

obraz

\[ \text{output\_level} = \frac{\sin(t)}{2} + 0.5 \]

def run_simulation(simulation):
    time = np.linspace(0, float(simulation.conditions["time"]), 100)  # Generowanie 100 punktów czasowych
    output_levels = np.sin(time) / 2 + 0.5  # Przykładowa funkcja poziomu wyjściowego    

Symulacja bramki AND

molecules:
  - type: Protein
    name: Input1Prot
  - type: Protein
    name: Input2Prot
  - type: Protein
    name: OutputProt

logic_gates:
  - gate_type: AND
    input1: Input1Prot
    input2: Input2Prot
    output: OutputProt

biological_system:
  name: BioCompSystem1

simulation:
  conditions:
    time: 100
    temperature: 37
  outputs:
    - Protein OutputProt

Interpretacja Wykresu

Wykresy generowane z symulacji opartej na pliku DSL pokazują dynamiczne zmiany w warunkach eksperymentalnych w funkcji czasu.

Oś X (czas): Przedstawia czas trwania symulacji w minutach. Parametr simulation.conditions['time'] ustala zakres czasowy symulacji. Cały przedział czasowy jest podzielony na 100 równych odstępów, dzięki czemu otrzymujemy szczegółowy wykres zmienności w czasie.
Oś Y (poziom wyjściowy): Przedstawia poziom wyjściowy białka lub innej zmiennej wyjściowej, określonej przez simulation.outputs. Funkcja np.sin(time) / 2 + 0.5 daje synusoidalne zmiany poziomu wyjściowego o amplitudzie 0.5 i przesunięciu pionowym o 0.5, co oznacza, że wartości zmieniają się w zakresie od 0 do 1.
Linia wykresu: Jest to krzywa pokazująca zmiany poziomu wyjściowego w czasie. Nazwa białka lub zmiennej jest wyświetlana jako etykieta wykresu na podstawie zawartości simulation.outputs[0].

Przykładowe Wyniki Wykresu

W przypadku symulacji opartej na przykładzie z wcześniejszym pliku 1/biocomp.yaml, uzyskany wykres może wyglądać tak:

Symulacja: BioCompSystem1: Tytuł wykresu wskazuje, że symulacja jest wykonywana na systemie BioCompSystem1.
Etykieta: Protein OutputProt: Etykieta na wykresie odnosi się do nazwy wyjściowego białka zdefiniowanego w symulacji.

Poniżej znajduje się przybliżona wizualizacja:

|          ________
|         /        \
|        /          \________ x100 minutes
|_______/                    \_______
0.0                                    100.0

Przykładowy Wykres ze Wskazaniem

Wartości na osi Y zmieniają się synusoidalnie od poziomu 0 do 1.
Wartości czasowe na osi X biegną od 0 do 100 minut.

Rzeczywiste Zastosowanie i Dane

W praktycznych zastosowaniach, dane wejściowe będą bardziej złożone i precyzyjne, bazujące na faktycznych pomiarach lub modelach biomolekularnych. Symulacje mogą prezentować poziomy ekspresji genów, aktywności enzymatycznej, stężeń cząsteczek sygnałowych i innych ważnych parametrów biologicznych w zależności od warunków eksperymentalnych.

Przykłady

Przykładowa sinusoidalna funkcja pokazuje podstawowe podejście do wizualizacji tych danych, ale rzeczywiste dane mogą być o wiele bardziej skomplikowane, zależnie od specyfiki symulacji i modelu biokomputerowego. Te przykłady obejmują różne konfiguracje dla różnych typów biologicznych układów logicznych. Przykłady obejmują różne typy bramek logicznych, takie jak “AND”, “OR” i “NOT”. Jeśli w twojej klasie LogicGate zostały zaimplementowane poprawne działanie dla tych bramek, to te przykłady powinny dawać odpowiednie wyniki na podstawie ustawionych warunków w plikach YAML. Jeśli nie zaimplementowano jeszcze działania dla tych bramek w klasie LogicGate, to należy to zrobić.

Aby przetestować twoją aplikację z tą funkcjonalnością, należy zapisać każdy plik YAML jako osobny plik.

BioCompSystem1

biocomp.yaml

digraph {
	Input1Prot [label="Input1Prot (Protein)"]
	Input2Prot [label="Input2Prot (Protein)"]
	OutputProt [label="OutputProt (Protein)"]
	"AND Gate"
	Input1Prot -> "AND Gate"
	Input2Prot -> "AND Gate"
	"AND Gate" -> OutputProt
}

python biocomp.py 1/biocomp.yaml

Running simulation for BioCompSystem1
Conditions: {'time': 100, 'temperature': 37}
Expected Outputs: ['Protein OutputProt']

BioCompSystem2

biocomp.yaml

digraph {
	Input1Prot [label="Input1Prot (Protein)"]
	Input2Prot [label="Input2Prot (Protein)"]
	OutputProt [label="OutputProt (Protein)"]
	"OR Gate"
	Input1Prot -> "OR Gate"
	Input2Prot -> "OR Gate"
	"OR Gate" -> OutputProt
}

python biocomp.py 2/biocomp.yaml

Running simulation for BioCompSystem2
Conditions: {'time': 150, 'temperature': 25}
Expected Outputs: ['Protein OutputProt']

sym

BioCompSystem3

biocomp.yaml

digraph {
	Input1Prot [label="Input1Prot (Protein)"]
	Input2Prot [label="Input2Prot (Protein)"]
	Input3Prot [label="Input3Prot (Protein)"]
	OutputProt1 [label="OutputProt1 (Protein)"]
	OutputProt2 [label="OutputProt2 (Protein)"]
	"AND Gate"
	Input1Prot -> "AND Gate"
	Input2Prot -> "AND Gate"
	"AND Gate" -> OutputProt1
	"OR Gate"
	OutputProt1 -> "OR Gate"
	Input3Prot -> "OR Gate"
	"OR Gate" -> OutputProt2
}

python biocomp.py 3/biocomp.yaml

Running simulation for BioCompSystem3
Conditions: {'time': 200, 'temperature': 30}
Expected Outputs: ['Protein OutputProt1', 'Protein OutputProt2']

BioCompSystem4

biocomp.yaml

digraph {
	Input1Prot [label="Input1Prot (Protein)"]
	OutputProt [label="OutputProt (Protein)"]
	"NOT Gate"
	Input1Prot -> "NOT Gate"
	"NOT Gate" -> OutputProt
}

python biocomp.py 4/biocomp.yaml

Running simulation for BioCompSystem4
Conditions: {'time': 120, 'temperature': 37}
Expected Outputs: ['Protein OutputProt']

Symulacje Grzybow

Aby przeprowadzić symulację, np. wzrostu grzybów, warto uwzględnić czynniki takie jak dostępność substancji odżywczych, temperatura, wilgotność i czas. Wzrost grzybów można modelować za pomocą różniczkowych równań wzrostu biologicznego, takich jak równanie Verhulsta (logistyczne równanie różniczkowe) lub modele podobne.

Wzór Symulacji Wzrostu Grzybów

Równanie logistyczne może być używane do modelowania wzrostu populacji organizmu, w tym grzybów:

obraz

\[ \frac{dN}{dt} = rN \left(1 - \frac{N}{K}\right) \]

Gdzie:

( N ) jest liczbą organizmów (np. masa biomasy grzybów),
( r ) jest wskaźnikiem wzrostu,
( K ) jest nośnością środowiska.

Skrypt `fungi.py`

Skrypt Pythona, który przetwarza dane wejściowe z plików YAML i wykonuje symulację wzrostu grzybów. Wzór logistyczny użyty w skrypcie pozwala modelować realistyczny wzrost populacji grzybów i może być dostosowany dzięki zmianie parametrów w plikach YAML. Skrypt wspiera przetwarzanie wielu plików YAML oraz opcjonalnie przetwarzanie wszystkich plików YAML w podanym folderze. Zawiera funkcje do generowania wykresów, tekstowych definicji grafów oraz graficznych reprezentacji grafów.

Obsługa wielu plików YAML: Pobieranie wielu plików jako argumentów lub obsługa folderu zawierającego pliki YAML.
Parsowanie: danych i tworzenie strukturę symulacji**,
Symulacja: wzrostu grzybów za pomocą równania logistycznego,
Wizualizacja wyników: Generowanie wykresów wzrostu biomasy.
Generowanie tekstowej definicji grafu: Zapisywanie parametrów symulacji i wyników do pliku tekstowego.
Graficzna reprezentacja grafu: Tworzenie grafów za pomocą Graphviz.

Wymagane biblioteki

Aby zapewnić pełną funkcjonalność, należy zainstalować następujące biblioteki:

yaml
matplotlib
graphviz

Można je zainstalować za pomocą pip:

pip install pyyaml matplotlib graphviz

FungiExperiment1

python fungi.py --folder ./11

digraph G {
    node [shape=record];
    "Simulation" [label="{Name: FungiExperiment1|Initial Population: 10|Growth Rate: 0.2|Carrying Capacity: 1000|Conditions: time=30, temperature=25, humidity=80|Outputs: Biomass}"];
}

fungi.dot.png fungi.yaml

FungiExperiment2

python fungi.py --folder ./11

digraph G {
    node [shape=record];
    "Simulation" [label="{Name: FungiExperiment2|Initial Population: 5|Growth Rate: 0.1|Carrying Capacity: 500|Conditions: time=45, temperature=20, humidity=90|Outputs: Biomass}"];
}

fungi.dot fungi.dot.png fungi.yaml

Symulacje Physarum

Aby zrealizować bardziej złożoną symulację wzrostu Physarum polycephalum (slime mold) jako hierarchicznej struktury komórkowej w kontekście modeli reakcyjno-dyfuzyjnych, należy przeanalizować kilka kluczowych procesów. Model reakcyjno-dyfuzyjny umożliwia symulację jak substancje (np. chemotaksyny) dyfundują oraz jak komórki reagują na te substancje, co prowadzi do wzrostu i formowania wzorca strukturalnego.

To jest dość zaawansowane zadanie, które można osiągnąć przy użyciu bibliotek takich jak NumPy do obliczeń oraz Matplotlib do wizualizacji. Do generowania grafów hierarchicznych użyjemy Graphviz.

Założenia:

Hierarchiczna struktura: Model Physarum jako siatki komórkowej.
Model reakcyjno-dyfuzyjny: Użyjemy prostego równania reakcyjno-dyfuzyjnego do modelowania rozprzestrzeniania się i reakcji chemotaksyn.

Równanie Reakcyjno-Dyfuzyjne

obraz

\[ \frac{\partial u}{\partial t} = D \nabla^2 u + f(u, v) \]

obraz

\[ \frac{\partial v}{\partial t} = D \nabla^2 v + g(u, v) \]

gdzie:

( u ) i ( v ) są koncentracją substancji chemicznych,
( D ) jest współczynnikiem dyfuzji,
( f(u, v) ) oraz ( g(u, v) ) są funkcjami reakcji.

Skrypt Python dla Modelu Hierarchicznej Struktury i Wykresu

Skrypt tworzy hierarchiczną strukturę Physarum jako maszynę reakcyjno-dyfuzyjną, przetwarza wiele plików YAML, a także generuje wizualizacje, tekstową definicję grafu i jego graficzną reprezentację. Wszystkie wygenerowane pliki są nazwane zgodnie z nazwami plików YAML, ale bez rozszerzenia .yaml.

Instalacja Wymaganych Bibliotek

Najpierw zainstaluj wymagane biblioteki:

pip install numpy matplotlib graphviz

PhysarumExperiment1

physarum.yaml

python physarum.py --folder ./21

physarum.dot

digraph G {
  node [shape=record];
  "Simulation" [label="{
      Name: PhysarumSimulation2 |
      Grid Size: 101 |
      Steps: 200 |
      Diffusion Coefficient: 0.2 |
      Reaction Rate: 0.02 |
      k: 0.07 |
      Initial U Value: 0.2 |
      Initial V Value: 0.25 |
      Initial Radius: 1 |
      Conditions: time=2, temperature=2, humidity=50 |
      Outputs: u, v
  }"];
}

physarum.dot.png

PhysarumExperiment2

physarum.yaml

python physarum.py --folder ./22

physarum.dot

digraph G {
  node [shape=record];
  "Simulation" [label="{
      Name: PhysarumSimulation2 |
      Grid Size: 101 |
      Steps: 200 |
      Diffusion Coefficient: 0.2 |
      Reaction Rate: 0.02 |
      k: 0.07 |
      Initial U Value: 0.2 |
      Initial V Value: 0.25 |
      Initial Radius: 1 |
      Conditions: time=2, temperature=3, humidity=50 |
      Outputs: u, v
  }"];
}

physarum.dot.png

PhysarumExperiment3

physarum.yaml

python physarum.py --folder ./23

physarum.dot

digraph G {
  node [shape=record];
  "Simulation" [label="{
      Name: PhysarumSimulation2 |
      Grid Size: 101 |
      Steps: 200 |
      Diffusion Coefficient: 0.2 |
      Reaction Rate: 0.02 |
      k: 0.07 |
      Initial U Value: 0.2 |
      Initial V Value: 0.25 |
      Initial Radius: 1 |
      Conditions: time=3, temperature=3, humidity=50 |
      Outputs: u, v
  }"];
}

physarum.dot.png

Star History

Contributions

CONTRIBUTION are always welcome:

did you found an Issue or Mistake?
do you want to improve the article?
are you interested do join another git projects?
have something to contribute or discuss? Open a pull request or create an issue.

Autor

obraz

Tom Sapletta

Na co dzień DevOps, ewangelista hipermodularyzacji, ostatnio entuzjasta biocomputing. Łączy doświadczenie w programowaniu i research-u poprzez wdrażanie nowatorskich rozwiązań. Szerokie spektrum zainteresowań, umiejętności analityczne i doświadczenie w branży owocują eksperymentalnymi projektami opensource.

This site is open source. Improve this page.

BioComp - język do nauki symulacji modeli organizmów - dsl.biokomputery.pl

Składnia języka

Zależności

Instalacja

Stwórz i aktywuj wirtualne środowisko:

Zainstaluj zależności z pliku requirements.txt:

Symulacje bramek logicznych

Uruchomienie

Symulacja bramki AND

Interpretacja Wykresu

Przykładowe Wyniki Wykresu

Rzeczywiste Zastosowanie i Dane

Przykłady

BioCompSystem1

BioCompSystem2

BioCompSystem3

BioCompSystem4

Symulacje Grzybow

Wzór Symulacji Wzrostu Grzybów

Skrypt fungi.py

Wymagane biblioteki

FungiExperiment1

FungiExperiment2

Symulacje Physarum

Równanie Reakcyjno-Dyfuzyjne

Skrypt Python dla Modelu Hierarchicznej Struktury i Wykresu

Instalacja Wymaganych Bibliotek

PhysarumExperiment1

PhysarumExperiment2

PhysarumExperiment3

Star History

Contributions

Autor

Tom Sapletta

Zainstaluj zależności z pliku `requirements.txt`:

Skrypt `fungi.py`