新しいソフトウェアが細胞シグナル伝達の秘密を解明(New Software Unlocks Secrets of Cell Signaling)

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2024-12-19 カリフォルニア大学サンディエゴ校(UCSD)

カリフォルニア大学サンディエゴ校(UCSD)の研究者たちは、新たなソフトウェア「SMART(Spatial Modeling Algorithms for Reactions and Transport)」を開発し、細胞内のシグナル伝達ネットワークを現実的にシミュレーションすることに成功しました。細胞の複雑な3次元構造や多段階の分子相互作用を考慮に入れることで、従来のツールでは困難だった詳細なシミュレーションが可能となります。研究チームは、接着性の刺激に対する細胞の応答や、ニューロンや心筋細胞内のカルシウム放出、ミトコンドリア内でのATP生成など、さまざまな生物学的システムでSMARTをテストし、その有効性を確認しました。このツールは、細胞の挙動に関する理解を深め、新たな治療法の開発を促進する可能性があります。

<関連情報>

生体細胞における反応と輸送の空間モデリングアルゴリズム Spatial modeling algorithms for reactions and transport in biological cells

Emmet A. Francis,Justin G. Laughlin,Jørgen S. Dokken,Henrik N. T. Finsberg,Christopher T. Lee,Marie E. Rognes & Padmini Rangamani,
Nature Computational Science  Published:19 December 2024
DOI:https://doi.org/10.1038/s43588-024-00745-x

A preprint version of the article is available at bioRxiv.

新しいソフトウェアが細胞シグナル伝達の秘密を解明(New Software Unlocks Secrets of Cell Signaling)

Abstract

Biological cells rely on precise spatiotemporal coordination of biochemical reactions to control their functions. Such cell signaling networks have been a common focus for mathematical models, but they remain challenging to simulate, particularly in realistic cell geometries. Here we present Spatial Modeling Algorithms for Reactions and Transport (SMART), a software package that takes in high-level user specifications about cell signaling networks and then assembles and solves the associated mathematical systems. SMART uses state-of-the-art finite element analysis, via the FEniCS Project software, to efficiently and accurately resolve cell signaling events over discretized cellular and subcellular geometries. We demonstrate its application to several different biological systems, including yes-associated protein (YAP)/PDZ-binding motif (TAZ) mechanotransduction, calcium signaling in neurons and cardiomyocytes, and ATP generation in mitochondria. Throughout, we utilize experimentally derived realistic cellular geometries represented by well-conditioned tetrahedral meshes. These scenarios demonstrate the applicability, flexibility, accuracy and efficiency of SMART across a range of temporal and spatial scales.

生物化学工学
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