سير عمل نموذجي لمحاكاة أنظمة الهيكل الخلوي

Carlos A. Lugo; Eashan Saikia; Francois Nedelec

doi:10.3791/64125

Method Article

سير عمل نموذجي لمحاكاة أنظمة الهيكل الخلوي

DOI:

10.3791/64125

⸱

April 7th, 2023

Carlos A. Lugo^*¹ , Eashan Saikia^*¹ , Francois Nedelec¹

¹Sainsbury Laboratory, Cambridge University

^* These authors contributed equally

Summary

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

يوضح هذا البروتوكول كيفية استخدام Cytosim ، وهي محاكاة للهيكل الخلوي مفتوح المصدر ، للتحقيق في سلوك شبكة من الخيوط المتصلة بالمحركات الجزيئية والروابط المتشابكة السلبية. يتم اتباع سير عمل عام مع إرشادات خطوة بخطوة لتغيير عدد الروابط المتشابكة ورسم انقباض الشبكة الناتج.

Abstract

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

أصبحت العديد من أنظمة الهيكل الخلوي معروفة الآن بما فيه الكفاية للسماح بنمذجتها الكمية الدقيقة. تتميز خيوط الأنابيب الدقيقة والأكتين جيدا ، وغالبا ما تكون البروتينات المرتبطة بها معروفة ، بالإضافة إلى وفرة الأنابيب والتفاعلات بين هذه العناصر. وبالتالي ، يمكن استخدام المحاكاة الحاسوبية للتحقيق في السلوك الجماعي للنظام بدقة ، بطريقة مكملة للتجارب. Cytosim عبارة عن مجموعة محاكاة للهيكل الخلوي مفتوحة المصدر مصممة للتعامل مع أنظمة كبيرة من الخيوط المرنة مع البروتينات المرتبطة بها مثل المحركات الجزيئية. كما يوفر إمكانية محاكاة الروابط المتشابكة السلبية ، والروابط المتشابكة القابلة للانتشار ، والنواة ، والقواطع ، والإصدارات المنفصلة من المحركات التي تخطو فقط على مواقع الشبكة غير المأهولة على خيوط. تكمل الكائنات الأخرى الخيوط من خلال تقديم هندسة كروية أو أكثر تعقيدا يمكن استخدامها لتمثيل الكروموسومات أو النواة أو الحويصلات في الخلية.

يقدم Cytosim أدوات سطر أوامر بسيطة لتشغيل المحاكاة وعرض نتائجها ، وهي متعددة الاستخدامات ولا تتطلب مهارات البرمجة. في سير العمل هذا ، يتم إعطاء إرشادات خطوة بخطوة من أجل أ) تثبيت البيئة اللازمة على جهاز كمبيوتر جديد ، ب) تكوين Cytosim لمحاكاة تقلص شبكة actomyosin ثنائية الأبعاد ، و iii) إنتاج تمثيل مرئي للنظام. بعد ذلك ، يتم فحص النظام عن طريق التغيير المنهجي لمعلمة رئيسية: عدد الروابط المتقاطعة. أخيرا ، يتم استكمال التمثيل المرئي للنظام من خلال القياس الكمي العددي للانقباض لعرض ، في رسم بياني ، كيف يعتمد الانقباض على تكوين النظام. بشكل عام ، تشكل هذه الخطوات المختلفة سير عمل نموذجيا يمكن تطبيقه مع القليل من التعديلات لمعالجة العديد من المشكلات الأخرى في مجال الهيكل الخلوي.

Introduction

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

يتكون الهيكل الخلوي من خيوط داخل الخلية والجزيئات المرتبطة بها مثل المحركات الجزيئية ، والتي غالبا ما تشكل شبكة ديناميكية ذات خصائص ميكانيكية رائعة. يوجد الهيكل الخلوي في تكوينات مختلفة في أنواع مختلفة من الخلايا عبر جميع أشكال الحياة تقريبا. يعد عملها الصحيح ضروريا للعمليات الخلوية الأساسية مثل الانقسام والحركة والاستقطاب. كما أنه يتحكم في التفاعلات الميكانيكية من خلية إلى أخرى ، وبالتالي يؤثر على تشكل الأنسجة والكائنات الحية. الهيكل الخلوي يكمن وراء العديد من الوظائف ويتجلى في العديد من العمليات البيولوجية. على سبيل المثال ، يرتبط تقلص العضلات بضربة القوة للمحركات الجزيئية للميوسين على خيوط الأكتين. مثال آخر هو صيانة الخلايا العصبية ، والتي تعتمد على حركات محركات كينيسين على طول الأنابيب الدقيقة الموجودة داخل محاور هذه الخلايا العصبية. الأكتين والأنابيب الدقيقة نوعان بارزان من خيوط الهيكل الخلوي ، وبدونهما ، ستكون الحياة كما نعرفها مستحيلة.

الهيكل الخلوي هو في الأساس نظام ميكانيكي حيوي ، لا يمكن اختزاله في كيمياءه فقط. يتم بناء الأنابيب الدقيقة أو خيوط الأكتين من آلاف المونومرات وتمتد على مدى عدة ميكرومترات. تعد مطابقات هذه الخيوط في الفضاء والقوى التي يمكن أن تنقلها إلى غشاء البلازما أو النواة أو العضيات الأخرى من الجوانب الرئيسية لدورها في الخلية. على سبيل المثال ، تولد شبكة من خيوط الأكتين ومحركات الميوسين ، تسمى قشرة أكتوميوسين¹ ، قوى للحفاظ على حركة الخلايا والتغيرات المورفولوجية في الخلايا الحيوانية. يظهر ترتيب مختلف تماما في الخلايا النباتية ، حيث توجه الأنابيب الدقيقة القشرية ترسب ألياف السليلوز ، وبالتالي تتحكم في بنية جدار الخلية ، والتي تحدد في النهاية كيف ستنمو هذه الخلايا في المستقبل².

في حين أن الميكانيكا تلعب دورا كبيرا في عمليات الهيكل الخلوي ، فإن الكيمياء لا تقل أهمية. تنمو الخيوط من خلال عملية التجميع الذاتي حيث تجد المونومرات موقع الإرساء الخاص بها عند طرف الفتيل بعد الانتشار عبر السيتوبلازم³. على المستوى الجزيئي ، يتم تحديد التجميع والتفكيك عند طرف الخيوط ، وبالتالي ، من خلال الصلات الجزيئية⁴. وبالمثل ، تنتشر بروتينات الهيكل الخلوي ، وتحدد معدلات الارتباط وعدم الارتباط تقاربها مع الخيوط التي تواجهها. في حالة المحركات الجزيئية ، ترتبط دورات التفاعلات الكيميائية التي تنطوي على التحلل المائي ل ATP بالحركات على طول الخيوط ، وربما القوى المصاحبة لها⁵. من اللافت للنظر أن الهيكل الخلوي يقدم العديد من التحديات غير العادية ومجموعة كبيرة ومتنوعة من العمليات التي تنطوي على مكونات مماثلة. إنه ملعب غني في الواجهة بين علم الأحياء والكيمياء والفيزياء.

أنظمة الهيكل الخلوي قابلة للنمذجة الرياضية. في الواقع ، بفضل الأبحاث الممتازة التي أجريت في العقود الماضية ، من المرجح أن تكون المكونات الجزيئية الرئيسية قد تم تحديدها بالفعل ، كما هو موضح في الالتقام الخلوي⁶. في الكائنات الحية النموذجية ، مثل الخميرة ، تعرف خصائص هذه العناصر ، بالإضافة إلى تكوين النظام لبعض عملياتها. على سبيل المثال ، تم وصف الهيكل والخصائص المادية للأنابيب الدقيقة⁷ ، بالإضافة إلى عددها ومتوسط أطوالها في مراحل مختلفة من المغزل الانقسامي⁸. غالبا ما يعرف عدد الحركينات التي تربط الأنابيب الدقيقة بهيكل ميكانيكي^{متماسك 9}. تم قياس سرعات العديد من المحركات في المختبر¹⁰. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن للتجريبيين مراقبة هذه الأنظمة وتحديدها كميا في الجسم الحي في ظل ظروف من النوع البري أو المتحول. يتيح الجمع بين النظرية جنبا إلى جنب مع التجارب في الجسم الحي وفي المختبر للباحثين اختبار ما إذا كانت المعرفة الحالية حول نظام الهيكل الخلوي كافية لشرح سلوكه المرصود. يسمح لنا استخدام الأدوات الرياضية والحسابية أيضا بإجراء استنتاجات حول كيفية عمل المكونات بشكل جماعي على أساس الافتراضات المستمدة من الملاحظات على المستوى الجزيئي ، عادة في المواقف المبسطة (على سبيل المثال ، تجارب الجزيء الواحد).

يمكن توضيح دور النظرية باستخدام مثال عملي: ضرب الأهداب. يرجع هذا الضرب إلى حركة محركات الداينين على طول الأنابيب الدقيقة في الأهداب. قد يتساءل المرء ما الذي يحدد سرعة محرك الداينين في هذا النظام. إحدى الإجابات المحتملة هي أن السرعة القصوى مقيدة بشرط الحفاظ على نمط ضرب معين. سيكون هذا مفهوما إذا كان الضرب تحت الانتقاء الطبيعي. في هذه الحالة ، إذا تحركت المحركات بشكل أسرع ، فستفقد العملية صفاتها المرغوبة - فلن تتغلب الأهداب بكفاءة أو حتى تفشل تماما. على الرغم من أن هذا ممكن ، إلا أن البديل الثاني هو أن بعض العوامل الجوهرية يمكن أن تحد من سرعة الداينين.

على سبيل المثال ، قد لا تحتوي الخلية على ما يكفي من ATP لجعل الداينين أسرع ، أو لا يمكن تسريع حركات البروتين المطلوبة لنشاط الداينين. في هذه الحالة ، إذا كان من الممكن جعل المحركات أسرع على الرغم من الحدود المادية ، تحسين الضرب. الاحتمال الثالث ، بالطبع ، هو أن تغيير السرعة لا يؤثر على العملية بشكل كبير ، مما قد يكون مفيدا للكائن الحي من خلال توفير بعض "القوة" ضد العوامل التي لا يمكن السيطرة عليها. من بين هذه الاحتمالات الثلاثة ، يمكن للمرء تحديد الاحتمالات الصحيحة عن طريق حساب نمط الضرب من خصائص الداينين. في الواقع ، يجب أن يتنبأ النموذج الرياضي المناسب بكيفية تأثر نمط الضرب بتغير سرعة الداينين ولا يخضع للحدود الموجودة في العالم المادي. بطبيعة الحال ، يجب التحقق من صحة النموذج ، ولكن حتى النماذج "غير الصحيحة" يمكن أن تولد أفكارا مثيرة للاهتمام.

يمكن أن يتخذ النموذج شكل إطار تحليلي أو محاكاة عددية للنظام. في كلتا الحالتين ، تظل الفجوة بين المقياس الجزيئي والمقياس الوظيفي عقبة ، وتطوير هذه النماذج ليس مهمة مباشرة ، حيث يجب دمج العديد من العمليات الميكانيكية والكيميائية في المعادلات التي تصف النظام البيولوجي. تأتي النظرية بأشكال مختلفة ، وتقدم مقايضات مختلفة بين البساطة والواقعية. إن زيادة درجة التفاصيل في النموذج ليست مفيدة دائما لأنها قد تحد من قدرتنا على حل المعادلات أو ، بعبارة أخرى ، اشتقاق تنبؤات النظرية. نفس المقايضة موجودة لعمليات المحاكاة. سيتعين على المصممين تحديد مكونات النظام التي سيتم أخذها في الاعتبار مع تجاهل جوانب معينة. ستعتمد هذه القرارات الرئيسية بشدة على هدف الدراسة. في الوقت الحاضر ، تتيح التحسينات غير العادية في أجهزة الكمبيوتر محاكاة العديد من أنظمة الهيكل الخلوي بتفاصيل كافية على مدى فترة زمنية كافية لتحليل معاملتها. سيؤدي هذا غالبا إلى إنشاء أفكار غير متوقعة واتجاهات جديدة في البحث. على سبيل المثال ، أدت عمليات المحاكاة المشابهة لتلك التي سيتم استخدامها في هذا البروتوكول إلى حساب الجزء الخلفي من المغلف يمكنه التنبؤ بانكماش الشبكة بناء على تكوينها¹¹.

الأساليب العددية منتشرة في كل مكان في العلوم الهندسية والفيزيائية ، واستخدامها في علم الأحياء آخذ في الازدياد. اليوم ، تم تصميم جميع ما لدينا من whatchamacallit التكنولوجية تقريبا (الساعات والهواتف والسيارات وأجهزة الكمبيوتر) لأول مرة على جهاز كمبيوتر ، وتوجد برامج قوية للقيام بذلك. بالنظر إلى نظام الهيكل الخلوي المميز جيدا وبافتراض أنه تم تحديد مستوى مناسب من الوصف ، لا يزال يتعين حل العديد من المشكلات قبل محاكاتها. بالنسبة لأبسط المشكلات ، قد يكون أنسب طريق للعمل هو كتابة محاكاة "عن طريق الترميز من البداية" ، بمعنى آخر ، بدءا من لغة برمجة عامة أو منصة رياضية مثل MATLAB. هذا له ميزة أن مؤلف الكود سيكون لديه معرفة وثيقة بما تم تنفيذه ويعرف بالضبط كيف يعمل البرنامج. ومع ذلك ، فإن هذا الطريق لا يخلو من المخاطر ، وليس من غير المألوف أن نشهد طلاب الدكتوراه يقضون معظم وقت عملهم في كتابة التعليمات البرمجية بدلا من معالجة الأسئلة العلمية.

البديل هو استخدام البرامج التي صممها الآخرون ، لكن هذا لا يخلو من المخاطر أيضا. يميل أي شفرة مصدر كبيرة إلى اكتساب سمات الصندوق الأسود الذي لا يمكن اختراقه تلقائيا ، على الرغم من الجهود المثيرة للإعجاب التي بذلها مؤلفوها لمنعه. من المؤكد أن استخدام الصناديق السوداء ليس حلم عالم. يمكن أن يصبح كود المصدر الكبير أيضا مسؤولية ، وقد يكون البدء من نقطة الصفر أسرع من تعديل قاعدة تعليمات برمجية موجودة لجعلها تفعل شيئا مختلفا. للتخفيف من هذه المشكلة ، يمكن للمرء دائما دعوة مؤلفي البرنامج للمساعدة ، ولكن قد لا يكون هذا كافيا. في كثير من الأحيان ، هناك اختلاف في الثقافة العلمية بين مؤلفي البرنامج والأشخاص الذين يرغبون في استخدامه ، مما يعني أن العديد من الافتراضات الضمنية تحتاج إلى توضيح. من خلال جعل الكود مفتوح المصدر ، من المتوقع أن يشارك المزيد من الأشخاص في تطوير البرنامج والحفاظ على وثائقه ، وبالتالي تحسين جودته. كل هذه قضايا مهمة يجب أخذها في الاعتبار المناسب قبل إجراء أي استثمار. ومع ذلك، فإن الطريقة الوحيدة للتقدم على المدى الطويل هي تعزيز حلول برمجية صلبة، يستخدمها ويحافظ عليها مجتمع واسع له مصالح علمية مشتركة.

على الرغم من أن هذا البروتوكول يستخدم Cytosim ، إلا أن هناك أدوات أخرى مفتوحة المصدر قد تكون قادرة على محاكاة نفس النظام ، على سبيل المثال ، AFINES¹² و MEDYAN¹³ و CyLaKS¹⁴ و aLENS¹⁵ و AKYT¹⁶ ، على سبيل المثال لا الحصر. لسوء الحظ ، فإن مقارنة هذه المشاريع خارج نطاق المقالة. هنا ، يتم تقديم إرشادات خطوة بخطوة لمحاكاة شبكة actomyosin ثنائية الأبعاد مقلصة. هذا النظام بسيط ويستفيد من القدرات الراسخة بشكل أفضل ل Cytosim. تم بناء Cytosim حول محرك أساسي متعدد المنصات يمكنه تشغيل عمليات المحاكاة في 2D أو 3D. يحتوي على قاعدة تعليمات برمجية معيارية ، مما يجعله قابلا للتخصيص بسهولة لأداء مهام معينة. يعتبر Cytosim مستقرا وفعالا بنفس القدر في 3D وقد تم استخدامه بنجاح في الماضي للتحقيق في المشكلات المتنوعة التي تنطوي على الأنابيب الدقيقة وخيوط الأكتين: ارتباط اثنين من زهور النجمة من الأنابيب الدقيقة¹⁷ ، وحركة النوى في الخلايا¹⁸^،¹⁹ ، والالتقام الخلوي⁶ ، والحركية^{الخلوية 20} ، وتشكيل المغزل الانقسامي²¹ ، وحركات المغزل الانقسامي²² ، تم الحفاظ على التقاط الكروموسومات²³ ، وتقلص شبكات أكتوميوسين¹¹^،²⁴ ، وميكانيكا حلقة الأنابيب الدقيقة في الصفائح الدموية²⁵ ، والقدرات التي تم تطويرها لهذه المشاريع في الكود. يمكن تكييف سير العمل الموصوف هنا مع العديد من المشكلات الأخرى. يستخدم سطر أوامر Unix ، والذي قد يكون غير مألوف لبعض القراء. ومع ذلك ، فإن استخدام سطر الأوامر هو الطريقة الأكثر قابلية للحمل وملاءمة لأتمتة عملية تشغيل عمليات المحاكاة. تهدف واجهات المستخدم الرسومية المتكاملة إلى توفير وصول سهل وبديهي إلى البرنامج ، ولكن هذا غالبا ما يأتي على حساب العمومية. الهدف من هذه المقالة هو توضيح نهج يمكن تعديله بسهولة أو تكييفه مع مشاكل أخرى. يتم توفير ملاحظات لشرح معنى الأوامر.

لمحاكاة شبكة actomyosin ، يتم نمذجة الخيوط كخطوط موجهة ويتم تمثيلها برؤوس موزعة على طولها (الشكل 1). هذا مستوى متوسط من الوصف ، شائع في فيزياء البوليمر ، يتجاهل الطبيعة ثلاثية الأبعاد الحقيقية للخيوط ولكنه يسمح بحساب الانحناء. قد تنمو الخيوط وتتقلص في نهاياتها ، باتباع نماذج مختلفة تغطي كلا من ظواهر الأكتين والأنابيب الدقيقة. في الخلايا ، يتم تنظيم الخيوط بشكل أساسي من خلال التفاعلات التي تقيد حركتها ، على سبيل المثال ، التعلق بخيوط أخرى أو ببساطة الحبس داخل الخلية. في Cytosim ، يتم خطية كل هذه التفاعلات ودمجها في مصفوفة كبيرة²⁶. المعادلات التي تصف حركة جميع رؤوس الفتيل مشتقة من هذه المصفوفة ، بافتراض وجود وسط لزج وشروط متذبذبة عشوائية تمثل الحركة البراونية. يتم حل هذه المعادلات عدديا للحصول على حركة الخيوط مع جميع القوى المؤثرة عليها بطريقة متسقة ذاتيا وفعالة²⁶. متراكب على هذا المحرك الميكانيكي ، يوجد محرك عشوائي يحاكي الأحداث المنفصلة ، مثل مرفقات وانفصال المحركات الجزيئية أو ديناميكيات تجميع الخيوط. باختصار ، يستخدم Cytosim أولا ديناميكيات محاكاة لحساب آليات شبكة من الخيوط ، متصلة بأي طريقة تعسفية ، وثانيا ، طرق عشوائية لمحاكاة ربط وإلغاء ربط وانتشار البروتينات التي تربط أو تؤثر على الخيوط.

تم اتباع سير العمل الموضح هنا بشكل متكرر لاستكشاف نظام باستخدام Cytosim في البداية. من المحتمل أن تكون الخطوة الحاسمة للعديد من المستخدمين المحتملين هي تثبيت مكونات البرنامج. إن توزيع البرنامج ككود مصدر يفي بضرورات Open Science ، ولكنه عرضة للأخطاء نظرا لأن مطوري البرنامج يمكنهم الوصول إلى مجموعة محدودة فقط من الهندسة المعمارية لاختبار البرنامج. قد يفشل التجميع بسبب اختلاف أنظمة التشغيل. من المحتمل أن تصبح التعليمات المقدمة هنا قديمة مع تطور أنظمة الكمبيوتر ورموز المصدر. وبالتالي ، من الضروري التحقق بشكل دوري من أحدث التعليمات عبر الإنترنت. في حالة حدوث مشكلة ، نشجع بشدة على المستخدمين الإبلاغ عن طريق النشر على قناة التعليقات ذات الصلة (حاليا الصفحة الرئيسية ل Cytosim على Gitlab) للمساعدة في حل المشكلة.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Protocol

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

ملاحظة: يتكون البروتوكول من الخطوات التالية: إعداد النظام الأساسي لنظام التشغيل Windows 10 و MacOS و Linux ؛ تركيب Cytosim ؛ تكوين المحاكاة وتشغيل الاختبار والعرض الرسومي ؛ عمليات تشغيل متعددة ، وتغيير المعلمة: عدد الروابط المتقاطعة في الشبكة ؛ إنشاء رسم بياني لعرض كيفية تأثر الانقباض بعدد الروابط المتشابكة؛ أشواط متوازية وأخذ العينات العشوائية. كل النصوص التي تلي ">" هي أوامر يجب إدخالها حرفيا في نافذة المحطة الطرفية. يمثل ">" موجه المحطة الطرفية ويجب عدم تضمينه، ولكن جميع الأحرف الأخرى مهمة.

1. إعداد المنصة

ملاحظة: وفقا لنظام التشغيل (MacOS أو Windows 10 أو Linux)، اتبع الخطوة 1.1 أو الخطوة 1.2 أو الخطوة 1.3.

التحضير (MacOS)
1. قم بتثبيت أدوات سطر الأوامر Xcode عن طريق فتح المحطة الطرفية (في التطبيقات/الأدوات المساعدة)، وأدخل:
  جي تي; xcode-select --install
2. لعرض كود Cytosim أو تحريره، قم بتثبيت Xcode من Apple App Store (https://apps.apple.com/us/app/Xcode/id497799835?mt=12).
  ملاحظة: محرر Xcode المدمج مناسب تماما. سيعمل المحررون الآخرون الموجهون للتعليمات البرمجية أيضا ، على سبيل المثال ، TextMate. لاستخدام TextMate ، قم بتنزيل التعليمات من https://macromates.com واتبع ذلك.
التحضير (Windows)
ملاحظة: بالنسبة لنظام التشغيل Windows 10 أو أعلى، يمكن تشغيل Cytosim باستخدام "نظام Windows الفرعي لنظام التشغيل Linux" (WSL)، كما هو موضح أدناه. بديل للإصدار الأقدم هو Cygwin ، ولكن لم يتم توفير التعليمات هنا.
1. قم بتحديث نظام تشغيل الكمبيوتر للوفاء بمتطلبات WSL 2: الإصدار 1903 من Windows 10 أو أعلى، مع الإصدار 18362 أو أعلى، لأنظمة x64 والإصدار 2004 أو أعلى، مع الإصدار 19041 أو أعلى، لأنظمة ARM64. للحصول على تحديثات الإصدار اللاحقة، تحقق من https://docs.microsoft.com/en-us/windows/release-health/release-information.
2. اكتب تشغيل ميزات Windows وإيقاف تشغيلها في مربع البحث بشريط المهام. قم بتمكين () النظام الأساسي للجهاز الظاهري يدويا و () نظام Windows الفرعي لنظام التشغيل Linux. انقر فوق موافق وأعد تشغيل Windows.
3. انتقل إلى Windows Microsoft Store وابحث عن Ubuntu. قم بتنزيل الإصدار الحالي وتثبيته (Ubuntu 20.04 LTS اعتبارا من 03.2022)
4. انقر فوق تشغيل لبدء تشغيل Ubuntu Terminal. إذا طلب منك تنزيل أحدث إصدار من WSL2 Linux Kernel، فتابع باتباع الإرشادات التي سيتم توفيرها. قم بتثبيت التحديث وإعادة تشغيل Ubuntu.
5. اتبع التعليمات الطرفية لإدخال اسم مستخدم UNIX جديد وتعيين كلمة مرور. بمجرد إعداد حساب المستخدم ، قم بتشغيل Ubuntu من مربع البحث في شريط مهام Windows. افتح الدليل الرئيسي (المعروف أيضا باسم ".") ، من نافذة الأوامر:
  > explorer.exe .
6. قم بتثبيت خادم X-Window متوافق مع WSL، على سبيل المثال، Xming: https://sourceforge.net/projects/xming/
7. ابدأ خادم X-Window ، Xming بالنقر المزدوج على أيقونة Xming ؛ حدد نوافذ متعددة. فيما بعد ، افتح محطة Ubuntu واتبع الخطوة 1.3 (Linux).
التحضير (Linux)
ملاحظة: هذه الإرشادات مناسبة لتوزيعات Linux التي تستخدم مدير حزم APT. يجب تعديل هذه الأوامر لتوزيعات مثل Red Hat Linux التي تستخدم مدير حزم مختلف. في هذه الحالة ، اتبع تعليمات توزيع Linux لتثبيت نفس الحزم.
1. تحديث نظام Linux:
  > sudo apt-get update
  ترقية > sudo apt-get
2. قم بتثبيت مترجم C ++ وصنع GNU (https://www.gnu.org/software/make):
  > sudo apt-get install build-essential
3. تثبيت مكتبات BLAS/LAPACK (http://www.netlib.org/lapack):
  > sudo apt-get install libblas-dev liblapack-dev
4. قم بتثبيت مكتبة مطوري OpenGL وملفات الرأس (https://www.mesa3d.org):
  > sudo apt-get install mesa-common-dev
5. تثبيت مكتبة GLEW (http://glew.sourceforge.net):
  > sudo apt-get install libglew-dev
6. قم بتثبيت مكتبة freeGLUT (http://freeglut.sourceforge.net):
  > sudo apt-get install freeglut3-dev
7. قم بتثبيت نظام التحكم في إصدار GIT (https://git-scm.com):
  > sudo apt-get install git
8. قم بتثبيت برامج اختبارات X11 (على سبيل المثال ، xeyes ، xclock ، xcalc):
  > sudo apt-get install x11-apps
9. اضبط متغير البيئة DISPLAY:
  > تصدير العرض =:0
  1. حاول فتح نافذة X11:
    > xeyes
  2. إذا نجح ذلك ، فانتقل إلى الخطوة 2. إذا فشل الخطأ في فتح الشاشة، فجرب قيمة DISPLAY مختلفة.
  3. ابحث عن عنوان IP الخاص بجهاز WSL2:
    > القط /etc/resolv.conf
  4. إذا ظهر رقم IP، على سبيل المثال، "خادم الأسماء 10.16.0.7"، فاستخدم رقم IP هذا بدلا من XXX أدناه:
    > تصدير العرض = XXX: 0
    > xeyes
  5. إذا نجح ذلك ، فانتقل إلى الخطوة 2. إذا فشل "التشغيل" في "فتح الشاشة" ، فحاول تشغيله من داخل نافذة "xterm":
    > sudo apt تثبيت xterm
    > xterm -display: 0
  6. في النافذة الجديدة التي تفتح، اكتب:
    > xeyes

2. تركيب Cytosim

ملاحظة: هذه الخطوات متشابهة مع أي نظام تشغيل: MacOS و WSL و Linux. في القسم التالي، سيتم إصدار الأوامر في المحطة الطرفية، ويجب تعيين "دليل العمل الحالي" إلى الدليل الذي تم تجميع المحاكاة فيه. سيشار إلى هذا الدليل على أنه الدليل الأساسي. بدلا من ذلك ، يمكن القيام بكل شيء في دليل منفصل إذا تم نسخ الملفات حسب الحاجة. إذا لم تكن معتادا على سطر الأوامر، ففكر في اتباع برنامج تعليمي، على سبيل المثال، https://www.learnenough.com/command-line-tutorial أو https://learnpythonthehardway.org/book/appendixa.html.

تنزيل كود مصدر Cytosim:
> git clone https://gitlab.com/f-nedelec/cytosim.git cytosim
ملاحظة: حساب Gitlab ليس ضروريا لتنزيل التعليمات البرمجية. يجب أن يؤدي هذا إلى إنشاء دليل فرعي جديد "cytosim" في الدليل الحالي.
ترجمه:
> CD Cytosim
> صنع
1. تحقق من إنشاء ثلاثة ملفات في "سلة" مدير فرعي عن طريق تشغيل:
  > LS بن
2. إذا فشلت الخطوة 2.2.1 ، فجرب هذه الطريقة البديلة للتحويل البرمجي عن طريق تثبيت cmake (https://cmake.org):
  > MKDIR ب
  > القرص المضغوط ب
  > cmake ..
  > صنع
  > قرص مضغوط ..
تحقق من الملفات التنفيذية:
معلومات > سلة المهملات / بطاقة SIM
معلومات > سلة المهملات / اللعب
1. تحقق من تجميع كلا النموذجين التنفيذيين لإجراء عمليات محاكاة ثنائية الأبعاد. ابحث عن الإخراج التالي لاستعلامات "المعلومات" أعلاه:
  البعد: 2 دوري: 1 الدقة: 8 بايت
2. إذا لم يكن الأمر كذلك ، وعندها فقط ، قم بتعديل الملف "src / math / dim.h" (افتح ، قم بتحريره لتغيير DIM إلى 2 ، احفظ) وأعد تجميع Cytosim:
  > ننظف
  > صنع
اختبار التشغيل
1. انسخ ثلاثة ملفات تنفيذية:
  > CP بن / SIM SIM
  > CP bin / تشغيل اللعب
  > حاوية CP / تقرير التقرير
2. إنشاء دليل جديد:
  > تشغيل MKDIR
3. انسخ ملف التكوين القياسي وأعد تسميته:
  > cp cym/fiber.cym run/config.cym
4. ابدأ المحاكاة:
  تشغيل > القرص المضغوط
  > .. /سيم
5. تصور نتائج المحاكاة:
  > .. /لعب
  1. اضغط على مفتاح المسافة للتحريك. اضغط على h للحصول على مساعدة بشأن اختصارات لوحة المفاتيح.
  2. لإنهاء البرنامج، على MacOS، جرب -Q أو CTRL-Q، أو حدد إنهاء من القائمة. كملاذ أخير، أدخل CTRL-C في النافذة الطرفية التي بدأ منها "اللعب".
6. تشغيل في الوضع المباشر:
  > .. /العب مباشر

3. تكوين المحاكاة

قم بتثبيت محرر نصوص موجه للتعليمات البرمجية (على سبيل المثال ، TextMate ، SublimeText) إذا لم يكن متاحا بالفعل.
افتح المحرر وافتح الملف "config.cym" الموجود في دليل "تشغيل" الذي تم إنشاؤه في الخطوة 2.4.2. تعرف على الأقسام المختلفة لملف التكوين ، وهي نسخة من "fiber.cym" (الملف التكميلي 1).
ملاحظة: عادة ما يقرأ Cytosim ملف تكوين واحد فقط ينتهي ب ".cym". سيتم إجراء جميع التعديلات هنا على "config.cym". انظر الجدول التكميلي S1 للحصول على قائمة بالمعلمات.
قم بتعديل المحاكاة عن طريق إجراء التغييرات التالية على "config.cym":
نصف القطر = 5 → نصف قطر = 3
جديد 1 خيوط → جديد 100 خيوط
احفظ الملف دون تغيير اسمه أو موقعه (الكتابة فوق "config.cym"). قم بالتبديل إلى النافذة الطرفية، وتحقق من تعديل المحاكاة كما هو متوقع باستخدام:
> .. /العب مباشر
ملاحظة: يتم تحديد نصف قطر الدائرة بالميكرومتر (ميكرومتر) ، وكذلك جميع المسافات في Cytosim. يتبع Cytosim نظاما من الوحدات التي تتكيف مع حجم الخلية ، مشتقة من الميكرومتر ، والبيكونوتون ، والثواني.
في الفقرة "تعيين خيوط الألياف" ، قم بإجراء التغييرات التالية:
الصلابة = 20 → الصلابة = 0.1
التجزئة = 0.5 → التجزئة = 0.2
حصر = داخل ، 200 ، حصر → الخلية = داخل ، 10 ، خلية
في فقرة "خيوط جديدة"، قم بتغيير:
الطول = 12 → الطول = 2
قلل الوقت اللازم للمحاكاة عن طريق تغيير:
تشغيل نظام 5000 → تشغيل نظام 1000
ملاحظة: هذا يضبط خصائص الفتيل. تحدد فقرة "مجموعة" الخصائص الثابتة للخيوط ، في حين أن المعلمات في "جديد" عادة ما تكون شروطا أولية. يتم تحديد صلابة الانحناء في pN μm². التجزئة هي المسافة التقريبية بين الرؤوس التي تصف الخيوط بالميكرومتر (ميكرومتر). يجب تقليله إذا كانت الخيوط أكثر مرونة. يقلل التغيير الأخير من الصلابة (pN / μm) لإمكانات الحبس المرتبطة بحواف "الخلية". الطول المعلن في الفقرة "الجديدة" (2 ميكرومتر) هو الطول الأولي للخيوط ، وبما أن الخيوط في هذا النموذج ليست ديناميكية ، فلن تتغير أطوالها. يوصى بتوقيع ملف التكوين ، عن طريق تحرير السطر الأول:
٪ اسمك وتاريخك ومكانك
1. تحقق من صحة ملف التكوين (كرر الخطوة 3.3).
إنشاء موصلات سلبية.
1. أضف فقرة جديدة إلى "config.cym" ، قبل الأسطر التي تحتوي على الأمرين "new" و "run" ، لتحديد نشاط جزيئي مع تقارب مع الخيوط:
  تعيين الموثق اليدوي {
  binding_rate = 10
  binding_range = 0.01
  unbinding_rate = 0.2
  }
2. لتحديد الكيانات ثنائية الوظيفة، أضف فقرة أخرى أدناه:
  تعيين زوجين متشابكين {
  hand1 = الموثق
  hand2 = الموثق
  صلابة = 100
  الانتشار = 10
  }
3. أضف أمرا "جديدا" بعد الفقرات السابقة وقبل الأمر "تشغيل":
  جديد 1000 متشابك
  ملاحظة: في Cytosim ، يتم تحديد المعدلات بوحدات ^s-1 والنطاق بالميكرومتر (ميكرومتر). يتم تحديد الصلابة بوحدات البيكونوتون لكل ميكرومتر (pN/μm) ومعامل الانتشار بالميكرومتر المربع في الثانية (ميكرومتر²/ثانية). ترتيب الأوامر في ملف التكوين مهم ، ويجب أن تظهر هذه الفقرات قبل أي أمر "تشغيل" ، وإلا فلن تكون فعالة. لمعرفة المزيد حول كائنات Cytosim ، اتبع البرنامج التعليمي في "tuto_introduction.md" ، الموجود في مجلد فرعي "doc" من الدليل الأساسي: doc / tutorials /.
إنشاء محركات ثنائية الوظيفة.
1. أضف فقرة جديدة إلى "config.cym" ، قبل الأسطر التي تحتوي على الأمر "new" و "run":
  ضبط محرك اليد {
  binding_rate = 10
  binding_range = 0.01
  unbinding_rate = 0.2
  النشاط = نقل
  unloaded_speed = 1
  stall_force = 3
  }
2. تضاف فقرة أخرى بعد الفقرة السابقة:
  تعيين عقدة زوجين {
  hand1 = محرك
  اليد 2 = المحرك
  صلابة = 100
  الانتشار = 10
  }
3. أضف أمرا "جديدا" بعد الفقرات السابقة وقبل الأمر "تشغيل":
  مجمع 200 الجديد
  ملاحظة: يحدد "النشاط = الحركة" محركا يتحرك باستمرار فوق الفتيل. يطيع المحرك منحنى خطي للقوة والسرعة (الشكل 1) يتميز بسرعة التفريغ (ميكرومتر / ثانية) وقوة المماطلة (بيكونوتون). في كل خطوة زمنية ، τ ، يتحرك بمسافة ، v × τ. إن استخدام "النشاط = لا شيء" سيحدد جزيئا لا يتحرك ، وبما أن هذا هو النشاط الافتراضي ، يمكن للمرء ببساطة حذف "النشاط" تماما. الأنشطة الأخرى ممكنة ، على سبيل المثال ، "النشاط = المشي" سيحدد محركا بخطوات منفصلة على طول الفتيل. "unloaded_speed" إيجابي لمحرك موجه إضافي. تحديد قيمة سالبة من شأنه أن يجعل المحرك يتحرك نحو نهايات الطرح. يتم شرح ذلك بمزيد من التفصيل في البرنامج التعليمي الأول ل Cytosim (انظر الرابط في الخطوة 3.5.2).
احفظ الملف.
تحقق من المحاكاة:
> .. /العب مباشر
قم بتشغيل المحاكاة:
> .. /سيم
تصور النتائج:
> .. /لعب
انسخ ملف التكوين النهائي إلى الدليل الأساسي:
> cp config.cym .. /config.cym
ملاحظة: يجب أن يكون ملفك النهائي مشابها للملف التكميلي 2 ("jove.cym"). لاحظ مقدار الوقت المطلوب لحساب هذه المحاكاة. في الأقسام التالية ، سيتم ضرب هذه المرة في عدد عمليات المحاكاة التي تم إجراؤها لإنشاء رسم بياني حيث تتنوع المعلمة.

4. اكتساح المعلمة

ملاحظة: في هذا القسم ، يتنوع عدد الروابط المتقاطعة في الشبكة بشكل منهجي.

استيراد البرامج النصية Python.
1. قم بإنشاء دليل فرعي "byn" داخل الدليل الأساسي:
  > MKDIR BYN
2. انسخ ثلاثة نصوص برمجية من توزيع Cytosim القياسي:
  > cp python/run/preconfig.py byn/preconfig
  > cp python / look / scan.py byn /.
  > cp python / look / make_page.py byn /.
  ملاحظة: من أجل السلامة، يتم توفير نسخ من هذه الملفات في شكل ملف تكميلي 3 وملف تكميلي 4 وملف تكميلي 5 مع هذه المقالة.
اجعل الملفات قابلة للتنفيذ:
> chmod + x byn / preconfig
> chmod + x byn / scan.py
> chmod + x byn / make_page.py
1. تحقق من تنفيذ البرامج النصية بشكل صحيح:
  > مساعدة byn/preconfig
  مساعدة > byn/scan.py
  > byn/make_page.py مساعدة
  ملاحظة: يجب أن يطبع هذا وصفا لكيفية استخدام كل أمر. من الممكن تعديل متغير PATH لاستدعاء البرامج النصية بشكل أكثر بساطة ؛ انظر https://en.wikipedia.org/wiki/PATH_(متغير).
2. استكشاف الاخطاء
  1. إذا كان الخطأ هو "لم يتم العثور على الأمر"، فتحقق من المسار المحدد، والذي يجب أن يتوافق مع موقع الملف. إذا كان هناك نوع آخر من الأخطاء لأن نظام التشغيل لا يوفر python2 ، فقم بتحرير ملفات .py الثلاثة وتعديل shebang ، وهو السطر الأول من كل ملف (فقط أضف "3"):
    #!/usr/bin/env python → #!/usr/bin/env python3
انسخ ملف التكوين لجعله "قالبا" (الملف التكميلي 6):
> cp config.cym config.cym.tpl
قم بتحرير ملف تكوين القالب. في محرر التعليمات البرمجية ، افتح الملف "config.cym.tpl" الموجود في الدليل الأساسي. قم بتغيير سطر واحد لتقديم عنصر نص متغير:
جديد 1000 متشابك → جديد [[النطاق (0,4000,100)]] crosslinker
ملاحظة: سيتعرف التكوين المسبق على التعليمات البرمجية المضمنة في الأقواس المزدوجة ويستبدلها بقيمة تم الحصول عليها عن طريق تنفيذ هذه التعليمات البرمجية في Python. في Python ، يحدد "النطاق (X، Y، S)" الأعداد الصحيحة من X إلى Y ، بزيادة S ؛ في هذه الحالة [0 ، 100 ، 200 ، 300 ، ... 4000]. الهدف هو تغيير عدد الروابط المتشابكة المضافة إلى المحاكاة.
قم بإنشاء ملفات التكوين من القالب:
> byn/preconfig run٪04i/config.cym config.cym.tpl
ملاحظة: يجب أن يؤدي ذلك إلى إنشاء 40 ملفا ، ملف واحد لكل قيمة محددة في "النطاق (0,4000,100)". يتم تحديد أسماء الملفات التي سيتم إنشاؤها بواسطة التكوين المسبق بواسطة "run٪04i/config.cym". باستخدام هذا الرمز المحدد ، سيقوم التكوين المسبق بإنشاء "run0000/config.cym" و "run0001/config.cym" وما إلى ذلك. سيجعل الدلائل في الواقع "run0000" و "run0001" وما إلى ذلك ، وينشئ ملفا "config.cym" في كل منها. تحقق من مساعدة Preconfig لمزيد من التفاصيل (قم بتشغيل "byn/preconfig help"). في حالة حدوث خطأ ، تحقق من كتابة الأمر بالضبط. كل شخصية مهمة.
قم بتشغيل جميع عمليات المحاكاة بالتسلسل:
> byn / scan.py '.. / تشغيل sim????
ملاحظة: سيقوم البرنامج "scan.py" بتنفيذ الأمر المقتبس في قائمة الدلائل المتوفرة. في هذه الحالة ، يتم تحديد قائمة الدلائل هذه بواسطة "تشغيل????". علامة الاستفهام هي بطاقة بدل تطابق أي حرف واحد. ومن ثم ، فإن "تشغيل????" يتطابق مع أي اسم يبدأ ب "تشغيل" ويتبعه أربعة أحرف بالضبط. بدلا من ذلك ، يمكن للمرء استخدام "run *" لإنشاء نفس القائمة ، لأن "*" يطابق أي سلسلة.
1. في حالة حدوث مشاكل، قم بتنفيذ هذا الأمر من نافذة طرفية جديدة لتشغيل "sim" بالتتابع في جميع الدلائل التي تم إنشاؤها في الخطوة 4.5. انتظر لمدة 30 دقيقة تقريبا حتى تكتمل العملية ، لكن هذا يعتمد إلى حد كبير على قدرات الكمبيوتر. قلل مقدار الحساب المطلوب عن طريق تحرير "config.cym":
  تشغيل نظام 1000 → تشغيل نظام 500
تصور بعض عمليات المحاكاة:
> ./تشغيل تشغيل0010
> ./تشغيل تشغيل0020
إنشاء صور لجميع عمليات المحاكاة:
> byn / scan.py '.. / حجم صورة التشغيل = 256 إطار = 10 'تشغيل????
إنشاء صفحة ملخص HTML:
> byn / make_page.py tile=5 تشغيل????
1. افتح "page.html" في متصفح الويب.

5. عمل الرسم البياني

ملاحظة: في هذا القسم ، يتم عمل مخطط من نتائج مسح المعلمة.

تحقق من التقرير القابل للتنفيذ:
تشغيل > القرص المضغوط
> .. /تقرير الشبكة:الحجم
ملاحظة: لكل إطار في المسار ، سيؤدي ذلك إلى طباعة بعض التعليقات ورقمين ، يقابلان "البوليمر" و "السطح". سيتم استخدام "surface" الشبكة (العمود الأخير) فقط.
1. تقييد المعلومات على وجه التحديد بإطار واحد باستخدام:
  > .. / تقرير الشبكة: حجم الإطار = 10
2. قم بإزالة التعليقات لتسهيل معالجة الإخراج:
  > .. / تقرير الشبكة: حجم الإطار = 10 مطول = 0
3. أخيرا ، أعد توجيه الإخراج إلى ملف باستخدام مرفق أنابيب Unix (">"):
  > .. / تقرير الشبكة: حجم الإطار = 10 مطول = 0 > net.txt
4. اطبع محتوى الملف إلى الجهاز الطرفي للتحقق:
  > القط net.txt
  ملاحظة: يجب أن يطبع هذا رقمين. والثاني هو السطح الذي تغطيه الشبكة في الإطار العاشر. لتنفيذ نفس العملية في جميع دلائل "التشغيل" ، قم بتغيير الدليل:
  > قرص مضغوط ..
قم بإنشاء تقرير في كل دليل فرعي للمحاكاة:
> byn / scan.py '.. / تقرير الشبكة: حجم الإطار = 10 مطول = 0 > net.txt 'تشغيل????
ملاحظة: مرة أخرى ، سيقوم scan.py بتنفيذ الأمر المقتبس في جميع الدلائل المحددة بواسطة "run????". الأمر هو آخر أمر تمت تجربته في الخطوة 5.1. سيؤدي هذا إلى إنشاء ملف "net.txt" في كل دليل (جرب "ls run????").
افحص هذه الأرقام:
> بين / scan.py تشغيل "net.txt القط????
1. أضف الخيار "+" لتسلسل اسم الدليل وإخراج الأمر:
  > byn/scan.py + 'cat net.txt'????
اجمع هذه الأرقام في ملف:
> byn/scan.py + 'cat net.txt'???? > results.txt
قم بتنظيف الملف "results.txt" عن طريق حذف النص المتكرر غير الرقمي. افتح "result.txt" في محرر التعليمات البرمجية ، واستخدم "استبدال النص" لإزالة جميع سلاسل "التشغيل". قم بإزالة ثلاثة أحرف فقط ، واحتفظ بالأرقام. يجب أن يصبح "run0000" "0000".
ملاحظة: يجب أن يترك هذا ملفا به أرقام منظمة فقط في ثلاثة أعمدة.
قم بإنشاء مخطط انقباض من البيانات الموجودة في "result.txt". استخدم أي طريقة لإنشاء مخطط باستخدام العمود 1 ل X والعمود 3 ل Y. قم بتسمية المحور X كعدد من الروابط المتقاطعة/100. قم بتسمية المحور Y كسطح (ميكرومتر ^ 2).
تخزين جميع عمليات المحاكاة في دليل منفصل:
> mkdir save1
> تشغيل MV???? حفظ1

6. طريقة بديلة لعمل الرسم البياني

أضف أمر تقرير في نهاية "config.cym.tpl" في سطر جديد بعد إغلاق "}" من الأمر run:
تقرير الشبكة:الحجم net.txt { مطول = 0 }
إنشاء ملفات التكوين:
> byn/preconfig run٪04i/config.cym config.cym.tpl
قم بتشغيل جميع عمليات المحاكاة باستخدام مؤشرات الترابط المتوازية:
> byn / scan.py '.. / تشغيل sim???? njobs=4
1. اضبط عدد الوظائف (njobs=4)، اعتمادا على سعة الكمبيوتر. راقب استخدام موارد وحدة المعالجة المركزية، على سبيل المثال، بواسطة تطبيق مراقبة النشاط على نظام التشغيل MacOS.
جمع البيانات:
> byn/scan.py + 'cat net.txt'???? > results.txt
قم بعمل قطعة أرض ، كما في الخطوتين 5.5 و 5.6.
قم بتخزين جميع عمليات التشغيل السابقة في دليل منفصل:
> mkdir save2
> تشغيل MV???? حفظ2

7. مؤامرة محسنة باستخدام أخذ العينات العشوائية

ملاحظة: يتم أخذ عينات من متغير هنا باستخدام وظيفة مولد من الوحدة "العشوائية" في Python.

في محرر التعليمات البرمجية، افتح ملف تكوين القالب "config.cym.tpl"، الموجود في الدليل الأساسي. أضف سطرين ، قبل "الرابط الجديد" مباشرة:
[[العدد = int (عشوائي موحد (0,4000))]]
٪[[num]] xlinkers
قم أيضا بتغيير الأمر "new" لاستخدام هذا المتغير:
جديد [[النطاق(0,4000,100)]] → جديد [[NUM]] الرابط المتشابك
ملاحظة: ينشئ السطر الأول متغيرا عشوائيا "num". يقوم السطر الثاني بطباعة قيمة المعلمة. الحرف "٪" مهم لأنه سيوجه Cytosim لتخطي السطر. قريبا ، ستعمل "xlinkers" كعلامة يمكن التعرف عليها ، ويجب أن تظهر مرة واحدة فقط في كل ملف.
1. في نهاية "config.cym.tpl"، تأكد من وجود تعليمات تقرير:
  تقرير الشبكة:الحجم net.txt { مطول = 0 }
إنشاء ملفات التكوين:
> byn/preconfig run٪04i/config.cym 42 config.cym.tpl
ملاحظة: يجب أن يؤدي ذلك إلى إنشاء 42 ملفا. يمكن زيادة هذا الرقم إذا كان الكمبيوتر سريعا بما فيه الكفاية. يمكن رؤية القيم التي تم إنشاؤها بشكل عشوائي باستخدام أداة Unix "grep" للبحث عن الملفات:
> تشغيل grep xlinkers???? /config.cym
قم بتشغيل جميع عمليات المحاكاة بالتوازي:
> byn / scan.py '.. / تشغيل sim???? njobs=4
ملاحظة: اضبط عدد المهام وفقا لسعة الكمبيوتر. للحصول على أفضل النتائج ، يجب تعيين المتغير "njobs" مساويا لعدد نوى الكمبيوتر.
اجمع البيانات باستخدام أمر واحد:
> byn / scan.py + 'grep xlinkers config.cym ؛ القط net.txt 'تشغيل ???? > results.txt
ملاحظة: سيقوم الخيار "+" الخاص scan.py بتسلسل جميع مخرجات الأمر في سطر واحد. في هذه الحالة ، يتكون الأمر في الواقع من أمرين مفصولين بنصف عمود ("؛"). يمكن دائما أتمتة جمع البيانات باستخدام برنامج Python النصي.
قم بتنظيف الملف. افتح "result.txt" في محرر الكود. للتأكد من أن جميع البيانات المقابلة لمحاكاة واحدة مضمنة في سطر واحد ، احذف جميع تكرارات السلسلة "xlinkers" وقم بإزالة الأحرف "٪" في بداية كل سطر. أخيرا ، احفظ "result.txt" ، والذي يجب تنظيمه بدقة في ثلاثة أعمدة من القيم الرقمية.
قم بعمل رسم بياني لرسم البيانات عن طريق تكرار الخطوة 5.6 ، ولكن قم بتسمية المحور X كعدد من الروابط المتشابكة
احفظ مجموعة البيانات في دليل فرعي جديد:
>مجموعة MKDIR1
> تشغيل MV???? مجموعة 1 /.
> مجموعة results.txt mv 1/.
احسب مجموعة بيانات أخرى بتكرار الخطوات 7.2-7.6 ، ثم كرر الخطوة 7.8 ، واستبدل "set1" ب "set2" في جميع الأوامر الثلاثة.
اصنع مؤامرة مشتركة.
1. تسلسل ملفي البيانات:
  > طقم قطط؟/results.txt > results.txt
  ملاحظة: يجب أن يكون "result.txt" الجديد أكبر.
2. ارسم البيانات لإنشاء رسم بياني مدمج، كما هو موضح في الخطوة 7.7.

8. خط أنابيب مؤتمت بالكامل

ملاحظة: في هذا الجزء ، يتم استبدال جميع العمليات التي تتطلب التدخل اليدوي بالأوامر. عند الانتهاء من ذلك ، سيكون من الممكن كتابة برنامج نصي واحد يقوم بتنفيذ جميع الخطوات تلقائيا. يمكن تشغيل هذا البرنامج النصي على جهاز كمبيوتر بعيد مثل مزرعة الحوسبة.

استخدم الأمر "sed" من Unix "لتنظيف" ملف results.txt، ليحل محل الخطوة 7.6.
1. قم بإزالة "٪" في بداية الأسطر:
  > sed -e 's / ٪ //g' results.txt > tmp.txt
2. إزالة "xlinkers":
  > sed -e 's / xlinkers // g' tmp.txt > results.txt
اكتب نصا لاستدعاء جميع الأوامر على التوالي بالترتيب الصحيح.
1. استخدم لغات مختلفة: bash أو Python.
2. قم بإنشاء ملف "pipeline.bash" ، وانسخ جميع الأوامر اللازمة لتشغيل خط الأنابيب.
3. تنفيذ البرنامج النصي:
  > bash pipeline.bash
استخدم نصا برمجيا آليا للتخطيط.
ملاحظة: قد يكون من المفيد إزالة جميع التدخلات اليدوية. توجد العديد من الأدوات لإنشاء مخطط PDF مباشرة من ملف بيانات ، على سبيل المثال ، gnuplot (http://www.gnuplot.info) أو PyX (https://pyx-project.org) أو Seplot (https://pypi.org/project/seplot/).

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Results

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

في القسم 2 ، يجب أن ينتج عن التجميع الناجح ل Cytosim باستخدام "make" sim والتشغيل والتقرير في الدليل الفرعي "bin". يجب أن يشير إخراج الخطوة 2.3 ("معلومات sim") إلى "البعد: 2" من بين أشياء أخرى. في القسم 3 ، يجب أن يكون ملف التكوين مشابها ل jove.cym ، المتوفر كملف تكميلي 1. في القسم 4 ، يجبأن يكون السحرة الذين تم الحصول عليهم في الخطوة 4.8 من عمليات المحاكاة مشابهين لتلك الموضحة في الشكل 2. تظهر صفحة ملخص HTML التي تم الحصول عليها في الخطوة 4...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Discussion

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

تعتمد الطريقة الموضحة في هذه المقالة على ثلاثة برامج Python صغيرة ومستقلة ، والتي تم استخدامها بطرق مختلفة في جميع أنحاء البروتوكول الموصوف. التكوين المسبق للبرنامج النصي الأول هو أداة متعددة الاستخدامات يمكن أن تحل محل الحاجة إلى كتابة نصوص Python المخصصة²⁷. يتم استخدامه لإنشاء ملفات تكوين متعددة من ملف قالب واحد ، مع تحديد المعلمة التي يجب أن تكون متنوعة وكيف يجب أن تتنوع. لتغيير معلمات متعددة ، يمكن للمرء ببساطة إضافة المزيد من مقتطفات التعليمات البرمجية إلى ملف القالب ، وسيقوم الت...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Disclosures

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

ويعلن أصحاب البلاغ عدم وجود تضارب في المصالح.

Acknowledgements

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

نشكر أعضاء نادي النمذجة SLCU ، وخاصة Tamsin Spelman و Renske Vroomans و Cameron Gibson و Genevieve Hines و Euan Smithers ، وغيرهم من المختبرين التجريبيين للبروتوكول ، Wei Xiang Chew ، و Daniel Cortes ، و Ronen Zaidel-Bar ، و Aman Soni ، و Chaitanya Athale ، و Kim Bellingham-Johnston ، و Serge Dmitrieff ، و Gaëlle Létort ، و Ghislain de Labbey. نحن نقدر الدعم المقدم من مؤسسة غاتسبي الخيرية (Grant PTAG-024) ومجلس البحوث الأوروبي (ERC Synergy Grant ، المشروع 951430).

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Materials

List of materials used in this article
Name	Company	Catalog Number	Comments
macOS			أو Windows 10 أو Linux
config.cym.tpl			للكمبيوتر الشخصي ؛ https://gitlab.com/f-nedelec/cytosim.git
jove.cym			ملف تكوين Cytosim
make_page.py			برنامج Python النصي ؛ https://github.com/nedelec/make_page.py
التكوين			المسبقنص بايثون ؛ https://github.com/nedelec/preconfig
scan.py			برنامج Python النصي ؛ https://github.com/nedelec/scan.py

ملف تكوين قالب

References

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Chugh, P., Paluch, E. K. The actin cortex at a glance. Journal of Cell Science. 131 (14), (2018).
Elliott, A., Shaw, S. L. Update: Plant cortical microtubule arrays. Plant Physiology. 176 (1), 94-105 (2018).
Odde, D. J. Estimation of the diffusion-limited rate of microtubule assembly. Biophysical Journal. 73 (1), 88-96 (1997).
Kerssemakers, J. W. J., et al. Assembly dynamics of microtubules at molecular resolution. Nature. 442 (7103), 709-712 (2006).
Carter, N. J., Cross, R. A. Mechanics of the kinesin step. Nature. 435 (7040), 308-312 (2005).
Mund, M., vander Beek, J. A., et al. Systematic nanoscale analysis of endocytosis links efficient vesicle formation to patterned actin nucleation. Cell. 174 (4), 884-896 (2018).
Kikumoto, M., Kurachi, M., Tosa, V., Tashiro, H. Flexural rigidity of individual microtubules measured by a buckling force with optical traps. Biophysical Journal. 90 (5), 1687-1696 (2006).
Ward, J. J., Roque, H., Antony, C., Nedelec, F. J. Mechanical design principles of a mitotic spindle. eLife. 3, 1-28 (2014).
Burkhart, J. M., Vaudel, M., et al. The first comprehensive and quantitative analysis of human platelet protein composition allows the comparative analysis of structural and functional pathways. Blood. 120 (15), 73-82 (2012).
Howard, J. Mechanics of Motor Proteins and the Cytoskeleton. Sinauer Associates. , Sunderland, MA. (2001).
Belmonte, J. M., Leptin, M., Nedelec, F. A theory that predicts behaviors of disordered cytoskeletal networks. Molecular Systems Biology. 13 (9), 941(2017).
Freedman, S. L., Banerjee, S., Hocky, G. M., Dinner, A. R. A versatile framework for simulating the dynamic mechanical structure of cytoskeletal networks. Biophysical Journal. 113 (2), 448-460 (2017).
Popov, K., Komianos, J., Papoian, G. A. MEDYAN: Mechanochemical simulations of contraction and polarity alignment in actomyosin networks. PLoS Computational Biology. 12 (4), 1004877(2016).
Fiorenza, S. A., Steckhahn, D. G., Betterton, M. D. Modeling spatiotemporally varying protein-protein interactions in CyLaKS, the Cytoskeleton Lattice-based Kinetic Simulator. The European Physical Journal. E, Soft Matter. 44 (8), 105-119 (2021).
Yan, W., et al. aLENS: Towards the cellular-scale simulation of motor-driven cytoskeletal assemblies. arXiv. , (2021).
Tam, A. K. Y., Mogilner, A., Oelz, D. B. Protein friction and filament bending facilitate contraction of disordered actomyosin networks. Biophysical Journal. 120 (18), 4029-4040 (2021).
Nedelec, F. Computer simulations reveal motor properties generating stable antiparallel microtubule interactions. The Journal of Cell Biology. 158 (6), 1005-1015 (2002).
Gibeaux, R., Politi, A. Z., Philippsen, P., Nedelec, F. Mechanism of nuclear movements in a multinucleated cell. Molecular Biology of the Cell. 28 (5), 567-691 (2017).
De Simone, A., Nedelec, F., Gönczy, P. Dynein transmits polarized actomyosin cortical flows to promote centrosome separation. Cell Reports. 14 (9), 2250-2262 (2016).
Descovich, C. P., et al. Cross-linkers both drive and brake cytoskeletal remodeling and furrowing in cytokinesis. Molecular Biology of the Cell. 29 (5), 622-631 (2018).
Loughlin, R., Heald, R., Nedelec, F. A computational model predicts Xenopus meiotic spindle organization. The Journal of Cell Biology. 191 (7), 1239-1249 (2010).
Kozlowski, C., Srayko, M., Nedelec, F. Cortical microtubule contacts position the spindle in C. elegans embryos. Cell. 129 (3), 499-510 (2007).
Burdyniuk, M., Callegari, A., Mori, M., Nedelec, F., Lénárt, P. F-Actin nucleated on chromosomes coordinates their capture by microtubules in oocyte meiosis. The Journal of Cell Biology. 217 (8), 2661-2674 (2018).
Mori, M., et al. An Arp2/3 nucleated F-actin shell fragments nuclear membranes at nuclear envelope breakdown in starfish oocytes. Current Biology. 24 (12), 1421-1428 (2014).
Dmitrieff, S., Alsina, A., Mathur, A., Nedelec, F. J. Balance of microtubule stiffness and cortical tension determines the size of blood cells with marginal band across species. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 114 (17), 4418-4423 (2017).
Nedelec, F., Foethke, D. Collective Langevin dynamics of flexible cytoskeletal fibers. New Journal of Physics. 9 (11), 499-510 (2007).
Nedelec, F. preconfig: A versatile configuration file generator for varying parameters. Journal of Open Research Software. 5 (1), 9(2017).
Burute, M., et al. Polarity reversal by centrosome repositioning primes cell scattering during epithelial-to-mesenchymal transition. Developmental Cell. 40 (2), 168-184 (2017).
Manhart, A., Windner, S., Baylies, M., Mogilner, A. Mechanical positioning of multiple nuclei in muscle cells. PLoS Computational Biology. 14 (6), 1006208(2018).
Jain, K., Khetan, N., Athale, C. A. Collective effects of yeast cytoplasmic dynein based microtubule transport. Soft Matter. 15 (7), 1571-1581 (2019).
Strübing, T., et al. Wrinkling instability in 3D active nematics. Nano Letters. 20 (9), 6281-6288 (2020).
Akamatsu, M., et al. Principles of self-organization and load adaptation by the actin cytoskeleton during clathrin-mediated endocytosis. eLife. 9, 49840(2020).
Hirst, W. G., Biswas, A., Mahalingan, K. K., Reber, S. Differences in intrinsic tubulin dynamic properties contribute to spindle length control in Xenopus species. Current Biology. 30 (11), 2184-2190 (2020).
Sobral, A. F., et al. Plastin and spectrin cooperate to stabilize the actomyosin cortex during cytokinesis. Current Biology. 31 (24), 5415-5428 (2021).
Sahu, S., Herbst, L., Quinn, R., Ross, J. L. Crowder and surface effects on self-organization of microtubules. Physical Review E. 103 (6-1), 062408(2021).
Gros, O. J., Damstra, H. G. J., Kapitein, L. C., Akhmanova, A., Berger, F. Dynein self-organizes while translocating the centrosome in T-cells. Molecular Biology of the Cell. 32 (9), 855-868 (2021).
Serwas, D., et al. Mechanistic insights into actin force generation during vesicle formation from cryo-electron tomography. Developmental Cell. 57 (9), 1132-1145 (2022).
Gittes, F., Mickey, B., Nettleton, J., Howard, J. Flexural rigidity of microtubules and actin filaments measured from thermal fluctuations in shape. The Journal of Cell Biology. 120 (4), 923-934 (1993).
Guo, B., Guilford, W. H. Mechanics of actomyosin bonds in different nucleotide states are tuned to muscle contraction. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 103 (26), 9844-9849 (2006).
Rovner, A. S., Fagnant, P. M., Trybus, K. M. Phosphorylation of a single head of smooth muscle myosin activates the whole molecule. Biochemistry. 45 (16), 5280-5289 (2006).
Walcott, S., Warshaw, D. M., Debold, E. P. Mechanical coupling between myosin molecules causes differences between ensemble and single-molecule measurements. Biophysical Journal. 103 (3), 501-510 (2012).
Finer, J. T., Simmons, R. M., Spudich, J. A. Single myosin molecule mechanics: piconewton forces and nanometre steps. Nature. 368 (6467), 113-119 (1994).
Aratyn, Y. S., Schaus, T. E., Taylor, E. W., Borisy, G. G. Intrinsic dynamic behavior of fascin in filopodia. Molecular Biology of the Cell. 18 (10), 3928-3940 (2007).
Goldmann, W. H., Isenberg, G. Analysis of filamin and alpha-actinin binding to actin by the stopped flow method. FEBS Letters. 336 (3), 408-410 (1993).

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

سير عمل نموذجي لمحاكاة أنظمة الهيكل الخلوي

In This Article

Summary

Abstract

Introduction

Protocol

Results

Discussion

Disclosures

Acknowledgements

Materials

References

Reprints and Permissions

Tags

Related Articles