El lenguaje de marcado de biología de sistemas ( SBML ) es un formato de representación, basado en XML , para comunicar y almacenar modelos computacionales de procesos biológicos. [1] Es un estándar abierto y gratuito con un amplio soporte de software y una comunidad de usuarios y desarrolladores. SBML puede representar muchas clases diferentes de fenómenos biológicos , incluidas redes metabólicas , vías de señalización celular, redes reguladoras , enfermedades infecciosas y muchas otras. [2] [3] [4]Se ha propuesto como un estándar para representar modelos computacionales en biología de sistemas en la actualidad. [4]
Extensión de nombre de archivo | .xml, .sbml |
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Tipo de medio de Internet | aplicación / sbml + xml |
Versión inicial | 2 de marzo de 2001 |
Último lanzamiento | SBML Level 3 Version 2 Core, Release 2 (26 de abril de 2019 ) |
Tipo de formato | Lenguaje de marcado |
Extendido desde | XML |
¿ Formato abierto ? | sí |
Sitio web | sbml |
Historia
A finales del año 1999 hasta principios del 2000, con fondos de la Corporación Japonesa de Ciencia y Tecnología (JST), Hiroaki Kitano y John C. Doyle reunieron un pequeño equipo de investigadores para trabajar en el desarrollo de una mejor infraestructura de software para el modelado computacional en biología de sistemas . Hamid Bolouri era el líder del equipo de desarrollo, que estaba formado por Andrew Finney, Herbert Sauro y Michael Hucka. [5] Bolouri identificó la necesidad de un marco para permitir la interoperabilidad y el intercambio entre los diferentes sistemas de software de simulación para la biología que existían a fines de la década de 1990, y organizó un taller informal en diciembre de 1999 en el Instituto de Tecnología de California para discutir el tema. A ese taller asistieron los grupos responsables del desarrollo de DBSolve, E-Cell, Gepasi, Jarnac, StochSim y The Virtual Cell. Por separado, a principios de 1999, algunos miembros de estos grupos también habían discutido la creación de un formato de archivo portátil para modelos de redes metabólicas en el grupo BioThermoKinetics (BTK). [6] [7] Los mismos grupos que asistieron al primer taller de Caltech se reunieron nuevamente del 28 al 29 de abril de 2000, en la primera de una serie de reuniones recientemente creada llamada Taller sobre plataformas de software para biología de sistemas . [8] Quedó claro durante el segundo taller que se necesitaba un formato de representación de modelo común para permitir el intercambio de modelos entre herramientas de software como parte de cualquier marco de interoperabilidad funcional, y los asistentes al taller decidieron que el formato debería estar codificado en XML .
El equipo de Caltech ERATO desarrolló una propuesta para este formato basado en XML y distribuyó el borrador de la definición a los asistentes al 2do Taller sobre Plataformas de Software para Biología de Sistemas en agosto de 2000. Este borrador se sometió a una extensa discusión sobre listas de correo y durante el 2do Taller sobre Software. Platforms for Systems Biology, [9] celebrado en Tokio , Japón, en noviembre de 2000 como un taller satélite de la conferencia ICSB 2000. Después de más revisiones, discusiones e implementaciones de software, el equipo de Caltech emitió una especificación para SBML Nivel 1, Versión 1 en marzo de 2001.
SBML Level 2 se concibió en el quinto taller sobre plataformas de software para biología de sistemas, celebrado en julio de 2002 en la Universidad de Hertfordshire , Reino Unido. [10] En ese momento, había muchas más personas involucradas que el grupo original de colaboradores de SBML y la evolución continua de SBML se convirtió en un esfuerzo de la comunidad más grande, con muchas herramientas nuevas que se han mejorado para soportar SBML. Los participantes del taller en 2002 decidieron colectivamente revisar la forma de SBML en el Nivel 2. El primer borrador de la especificación del Nivel 2 Versión 1 se publicó en agosto de 2002, y el conjunto final de características se finalizó en mayo de 2003 en el Séptimo Taller sobre Software. Plataformas para biología de sistemas en Ft. Lauderdale , Florida.
La siguiente iteración de SBML tomó dos años, en parte porque los desarrolladores de software solicitaron tiempo para absorber y comprender el SBML Nivel 2, más grande y complejo. El descubrimiento inevitable de limitaciones y errores llevó al desarrollo de SBML Nivel 2 Versión 2, publicado en septiembre de 2006 Para entonces, el equipo de editores de SBML (que concilian las propuestas de cambios y redactan un documento de especificación final coherente) había cambiado y ahora estaba formado por Andrew Finney, Michael Hucka y Nicolas Le Novère.
SBML Level 2 Version 3 se publicó en 2007 después de innumerables contribuciones y discusiones con la comunidad SBML. 2007 también vio la elección de dos editores SBML más como parte de la introducción de la organización moderna del editor SBML en el contexto del proceso de desarrollo de SBML.
SBML Nivel 2 Versión 4 se publicó en 2008 después de que la demanda popular solicitara ciertos cambios en el Nivel 2. (Por ejemplo, un voto electrónico de la comunidad SBML a finales de 2007 indicó que una mayoría prefería no requerir una coherencia estricta de la unidad antes de que un modelo SBML se considere válido). La versión 4 se finalizó después de la reunión del Foro SBML celebrada en Gotemburgo , Suecia, como taller satélite de ICSB 2008 en el otoño de 2008. [11]
SBML Level 3 Version 1 Core se publicó en su forma final en 2010, después de una prolongada discusión y revisión por parte de los editores de SBML y la comunidad de SBML. Contiene numerosos cambios significativos en la sintaxis y construcciones del Nivel 2 Versión 4, pero también representa una nueva base modular para la expansión continua de las características y capacidades de SBML en el futuro.
SBML Nivel 2 Versión 5 se publicó en 2015. Esta revisión incluyó una serie de cambios textuales (pero no estructurales) en respuesta a los comentarios de los usuarios, abordando así la lista de erratas recopiladas durante muchos años para la especificación SBML Nivel 2 Versión 4. Además, la Versión 5 introdujo la posibilidad de utilizar anotaciones anidadas dentro del formato de anotación de SBML (un formato de anotación que se basa en un subconjunto de RDF ).
El idioma
A veces se asume incorrectamente que SBML tiene un alcance limitado solo a modelos de redes bioquímicas porque las publicaciones originales y el software temprano se centraron en este dominio. En realidad, aunque las características centrales de SBML están orientadas a representar procesos similares a reacciones químicas que actúan sobre entidades, este mismo formalismo sirve de manera análoga para muchos otros tipos de procesos; Además, SBML tiene características de lenguaje que apoyan la expresión directa de fórmulas matemáticas y eventos discontinuos separados de los procesos de reacción, lo que permite que SBML represente mucho más que reacciones exclusivamente bioquímicas. La evidencia de la capacidad de SBML para ser utilizado para más que meras descripciones de bioquímica se puede ver en la variedad de modelos disponibles en BioModels Database .
Propósitos
SBML tiene tres propósitos principales:
- permitir el uso de múltiples herramientas de software sin tener que reescribir modelos para ajustarse al formato de archivo idiosincrásico de cada herramienta;
- permitir que los modelos se compartan y publiquen en una forma que otros investigadores puedan usar incluso cuando trabajen con diferentes entornos de software;
- garantizar la supervivencia de los modelos más allá de la vida útil del software utilizado para crearlos.
SBML no es un intento de definir un lenguaje universal para modelos cuantitativos. El propósito de SBML es servir como lengua franca, un formato de intercambio utilizado por diferentes herramientas de software actuales para comunicar los aspectos esenciales de un modelo computacional. [12]
Capacidades principales
SBML puede codificar modelos que consisten en entidades (llamadas especies en SBML) sobre las que actúan procesos (llamados reacciones ). Un principio importante es que los modelos se descomponen en elementos constituyentes etiquetados explícitamente, cuyo conjunto se asemeja a una interpretación detallada de ecuaciones de reacción química (si el modelo usa reacciones) junto con ecuaciones explícitas opcionales (nuevamente, si el modelo las usa); la representación SBML deliberadamente no convierte el modelo directamente en un conjunto de ecuaciones diferenciales u otra interpretación específica del modelo. Esta descomposición explícita, independiente del marco de trabajo de modelado, hace que sea más fácil para una herramienta de software interpretar el modelo y traducir la forma SBML a cualquier forma interna que la herramienta realmente utilice.
Un paquete de software puede leer la descripción de un modelo SBML y traducirlo a su propio formato interno para el análisis del modelo. Por ejemplo, un paquete puede proporcionar la capacidad de simular el modelo mediante la construcción de ecuaciones diferenciales y luego realizar la integración de tiempo numérico en las ecuaciones para explorar el comportamiento dinámico del modelo. O, alternativamente, un paquete podría construir una representación estocástica discreta del modelo y utilizar un método de simulación de Monte Carlo como el algoritmo de Gillespie .
SBML permite representar modelos de complejidad arbitraria. Cada tipo de componente en un modelo se describe utilizando un tipo específico de estructura de datos que organiza la información relevante. Las estructuras de datos determinan cómo se codifica el modelo resultante en XML.
Además de los elementos anteriores, otra característica importante de SBML es que cada entidad puede tener adjuntas anotaciones legibles por máquina. Estas anotaciones se pueden utilizar para expresar relaciones entre las entidades en un modelo dado y entidades en recursos externos como bases de datos. Un buen ejemplo del valor de esto se encuentra en BioModels Database, donde cada modelo está anotado y vinculado a recursos de datos relevantes como publicaciones, bases de datos de compuestos y vías, vocabularios controlados y más. Con las anotaciones, un modelo se convierte en algo más que una simple interpretación de una construcción matemática: se convierte en un marco semánticamente enriquecido para comunicar conocimientos. [13] [14]
Niveles y versiones
SBML se define en Niveles : especificaciones compatibles con versiones superiores que agregan características y poder expresivo. Las herramientas de software que no necesitan o no pueden soportar la complejidad de Niveles superiores pueden seguir utilizando Niveles inferiores; Las herramientas que pueden leer Niveles superiores tienen la seguridad de que también pueden interpretar los modelos definidos en los Niveles inferiores. Por lo tanto, los nuevos niveles no reemplazan a los anteriores. Sin embargo, cada nivel puede tener varias versiones dentro de ella, y las nuevas versiones de un Nivel hacer versiones antiguas sustituyen de ese mismo nivel.
Actualmente hay tres niveles de SBML definidos. Las versiones actuales dentro de esos niveles son las siguientes:
- Núcleo de la versión 1 de nivel 3, para el que se publicó la especificación final de la versión 1 el 6 de octubre de 2010
- Nivel 2 Versión 5 Versión 1
- Nivel 1 Versión 2
La infraestructura de software de código abierto, como libSBML y JSBML, permite a los desarrolladores admitir todos los niveles de SBML en su software con un esfuerzo mínimo.
El equipo de SBML mantiene un rastreador de problemas públicos donde los lectores pueden informar errores u otros problemas en los documentos de especificación de SBML. Los problemas notificados finalmente se incluyen en la lista de erratas oficiales asociadas con cada lanzamiento de especificación. Las listas de erratas están documentadas en la página de Especificaciones de SBML.org.
Paquetes de nivel 3
El desarrollo de SBML Level 3 se ha realizado de forma modular. La especificación Core es un formato completo que se puede utilizar solo. Se pueden superponer paquetes de nivel 3 adicionales en este núcleo para proporcionar características opcionales adicionales.
Composición del modelo jerárquico
El paquete Hierarchical Model Composition, conocido como " comp ", se lanzó en noviembre de 2012. Este paquete ofrece la posibilidad de incluir modelos como submodelos dentro de otro modelo. El objetivo es apoyar la capacidad de los modeladores y las herramientas de software para hacer cosas como (1) descomponer modelos más grandes en más pequeños, como una forma de gestionar la complejidad; (2) incorporar múltiples instancias de un modelo dado dentro de uno o más modelos adjuntos, para evitar la duplicación literal de elementos repetidos; y (3) crear bibliotecas de modelos probados y reutilizables, como se hace en el desarrollo de software y otros campos de la ingeniería. La especificación fue la culminación de años de discusión por parte de un gran número de personas.
Restricciones de equilibrio de flujo
El paquete Flux Balance Constraints (apodado " fbc ") se lanzó por primera vez en febrero de 2013. Las revisiones de importación se introdujeron como parte de la Versión 2, [15] lanzada en septiembre de 2015. El paquete " fbc " brinda soporte para el modelado basado en restricciones , [16] se utiliza con frecuencia para analizar y estudiar redes biológicas tanto a pequeña como a gran escala. [17] Este paquete SBML hace uso de componentes estándar de la especificación básica SBML Nivel 3, incluidas especies y reacciones, y los amplía con atributos y estructuras adicionales para permitir a los modeladores definir cosas como límites de flujo y funciones de optimización.
Modelos cualitativos
Los modelos cualitativos o paquete " qual " para SBML Nivel 3 se publicó en mayo de 2013. Este paquete admite la representación de modelos en los que falta un conocimiento profundo de las reacciones bioquímicas y su cinética y se debe utilizar un enfoque cualitativo. Ejemplos de fenómenos que se han modelado de esta manera incluyen redes reguladoras de genes [18] y vías de señalización, [19] basando la estructura del modelo en la definición de gráficos reguladores o de influencia. La definición y el uso de algunos componentes de esta clase de modelos difieren de la forma en que las especies y reacciones se definen y usan en los modelos SBML centrales . Por ejemplo, los modelos cualitativos típicamente asocian niveles discretos de actividades con grupos de entidades; en consecuencia, los procesos que los involucran no pueden describirse como reacciones per se, sino más bien como transiciones entre estados. Estos sistemas pueden verse como sistemas reactivos cuya dinámica se representa mediante gráficos de transición de estado (u otras estructuras de Kripke [20] ) en los que los nodos son los estados alcanzables y los bordes son las transiciones de estado.
Diseño
El paquete de diseño SBML se originó como un conjunto de convenciones de anotación utilizables en SBML Nivel 2. Se presentó en el Foro SBML en St. Louis en 2004. [21] Ralph Gauges escribió la especificación [22] y proporcionó una implementación que fue ampliamente utilizada . Esta definición original se reformuló como un paquete SBML de nivel 3 y se publicó formalmente una especificación en agosto de 2013.
El paquete de diseño SBML de nivel 3 proporciona una especificación sobre cómo representar una red de reacción en forma gráfica. Por lo tanto, se adapta mejor a la tarea que el uso de un dibujo o gráfico arbitrario. El paquete SBML Level 3 solo trata con la información necesaria para definir la posición y otros aspectos del diseño de un gráfico; los detalles adicionales necesarios para completar el gráfico, es decir, cómo se deben representar los aspectos visuales, son el suministro del paquete SBML Level 3 separado llamado Rendering (apodado " render "). En noviembre de 2015, se encuentra disponible un borrador de especificación para el paquete " render ", pero aún no se ha finalizado oficialmente. [23]
Paquetes en desarrollo
El desarrollo de paquetes SBML Nivel 3 se está llevando a cabo de tal manera que se revisan las especificaciones y se intenta implementar durante el proceso de desarrollo. Una vez que una especificación es estable y hay dos implementaciones que la admiten, el paquete se considera aceptado. Todos los paquetes detallados anteriormente han alcanzado la etapa de aceptación. La siguiente tabla ofrece un breve resumen de los paquetes que se encuentran actualmente en la fase de desarrollo.
Nombre del paquete | Etiqueta | Descripción |
---|---|---|
Matrices | matrices | Soporte para expresar matrices de componentes |
Distribuciones | distribuir | Soporte para codificar modelos que muestrean valores de distribuciones estadísticas o especifican estadísticas asociadas con valores numéricos |
Dinámica | din | Soporte para crear y destruir entidades durante una simulación. |
Grupos | grupos | Un medio para agrupar elementos. |
Especies multiestado y multicomponente | multi | Estructuras de objetos para representar grupos de entidades con múltiples estados y compuestos por múltiples componentes, y reglas de reacción que los involucran |
Representación | hacer | Soporte para definir los símbolos gráficos y glifos usados en un diagrama del modelo; adjunto al paquete de diseño |
Elementos requeridos | req | Soporte para una indicación detallada de elementos SBML que han sido cambiados por la presencia de otro paquete |
Procesos espaciales | espacial | Soporte para describir procesos que involucran un componente espacial y describir las geometrías involucradas |
Estructura
Una definición de modelo en SBML Niveles 2 y 3 consta de listas de uno o más de los siguientes componentes:
- Definición de función : una función matemática con nombre que se puede utilizar en el resto de un modelo.
- Definición de unidad : una definición con nombre de una nueva unidad de medida o una redefinición de una unidad predeterminada de SBML existente. Las unidades con nombre se pueden usar en la expresión de cantidades en un modelo.
- Tipo de compartimento (solo en SBML Nivel 2): un tipo de ubicación donde se pueden ubicar entidades que reaccionan, como sustancias químicas.
- Tipo de especie (solo en SBML Nivel 2): un tipo de entidad que puede participar en reacciones. Los ejemplos de tipos de especies incluyen iones como Ca 2+ , moléculas como glucosa o ATP, sitios de unión en una proteína y más.
- Compartimiento : Un recipiente bien agitado de un tipo particular y tamaño finito donde se pueden ubicar las especies. Un modelo puede contener varios compartimentos del mismo tipo de compartimento. Todas las especies de un modelo deben ubicarse en un compartimento.
- Especies : conjunto de entidades del mismo tipo de especie ubicadas en un compartimento específico .
- Parámetro : una cantidad con un nombre simbólico. En SBML, el término parámetro se usa en un sentido genérico para referirse a cantidades nombradas independientemente de si son constantes o variables en un modelo.
- Asignación inicial : expresión matemática utilizada para determinar las condiciones iniciales de un modelo. Este tipo de estructura solo se puede utilizar para definir cómo se puede calcular el valor de una variable a partir de otros valores y variables al inicio del tiempo simulado.
- Regla : Una expresión matemática que se usa en combinación con las ecuaciones diferenciales construidas sobre la base del conjunto de reacciones en un modelo. Puede usarse para definir cómo se puede calcular el valor de una variable a partir de otras variables o usarse para definir la tasa de cambio de una variable. El conjunto de reglas de un modelo se puede utilizar con las ecuaciones de velocidad de reacción para determinar el comportamiento del modelo con respecto al tiempo. El conjunto de reglas restringe el modelo durante todo el tiempo simulado.
- Restricción : expresión matemática que define una restricción sobre los valores de las variables del modelo. La restricción se aplica en todos los instantes del tiempo simulado. El conjunto de restricciones del modelo no debe utilizarse para determinar el comportamiento del modelo con respecto al tiempo.
- Reacción : Una declaración que describe algún proceso de transformación, transporte o unión que puede cambiar la cantidad de una o más especies. Por ejemplo, una reacción puede describir cómo determinadas entidades (reactivos) se transforman en determinadas otras entidades (productos). Las reacciones tienen expresiones de velocidad cinética asociadas que describen la rapidez con que ocurren.
- Evento : declaración que describe un cambio instantáneo y discontinuo en un conjunto de variables de cualquier tipo (concentración de especies, tamaño del compartimento o valor de parámetro) cuando se cumple una condición desencadenante.
Comunidad
En febrero de 2020, casi 300 sistemas de software anuncian soporte para SBML. Una lista actual está disponible en forma de la Guía de software SBML , alojada en SBML.org.
SBML ha sido y continúa siendo desarrollado por la comunidad de personas que crean plataformas de software para biología de sistemas, a través de listas de discusión activas por correo electrónico y talleres bianuales. Las reuniones a menudo se llevan a cabo junto con otras conferencias de biología, especialmente la Conferencia Internacional sobre Biología de Sistemas (ICSB). El esfuerzo de la comunidad está coordinado por un comité editorial electo compuesto por cinco miembros. Cada editor es elegido por un período no renovable de 3 años.
Herramientas como un validador de modelos en línea, así como bibliotecas de código abierto para incorporar SBML en software programado en C , C ++ , Java , Python , Mathematica , MATLAB y otros lenguajes, son desarrolladas en parte por el equipo de SBML y en parte por la comunidad SBML en general. . [24]
SBML es un tipo IETF MIME oficial , especificado por RFC 3823. [25]
Ver también
- Base de datos de BioModels
- BioPAX
- CellML
- MIASE
- Miriam
- Ontología de biología de sistemas
- Biología de sistemas Notación gráfica
Referencias
- ^ Enciclopedia de biología de sistemas Dubitzky, W., Wolkenhauer, O., Yokota, H., Cho, K.-H. (Eds.) SBML, págs2057-2062 Springer 2013 ISBN 978-1-4419-9863-7
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enlaces externos
- Página de inicio de SBML
- Presentaciones y carteles relacionados con SBML de Nature Precedings
- Modelado competitivo en red de biología