JoVE Logo
Authors
Contact Us

Sign In

A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.

In This Article

  • Summary
  • Abstract
  • Introduction
  • Protocol
  • תוצאות
  • Discussion
  • Disclosures
  • Acknowledgements
  • Materials
  • References
  • Reprints and Permissions

Summary

פרוטוקול זה מדגים כיצד להשתמש ב-Cytosim, סימולציה של שלד תאים בקוד פתוח, כדי לחקור את ההתנהגות של רשת חוטים המחוברים על ידי מנועים מולקולריים וקושרים פסיביים. זרימת עבודה כללית עם הוראות שלב אחר שלב מתבצעת כדי לשנות את מספר הקישורים הצולבים ולשרטט את התכווצות הרשת המתקבלת.

Abstract

מערכות שלד תא רבות ידועות כיום מספיק כדי לאפשר את המודלים הכמותיים המדויקים שלהן. חוטי מיקרו-צינורות ואקטין מאופיינים היטב, והחלבונים הקשורים ידועים לעתים קרובות, כמו גם שפעם והאינטראקציות בין אלמנטים אלה. לפיכך, ניתן להשתמש בסימולציות מחשב כדי לחקור את ההתנהגות הקולקטיבית של המערכת במדויק, באופן משלים לניסויים. Cytosim היא חבילת סימולציה של שלד תא בקוד פתוח שנועדה לטפל במערכות גדולות של חוטים גמישים עם חלבונים נלווים כגון מנועים מולקולריים. הוא גם מציע את האפשרות לדמות קישורים צולבים פסיביים, קישורים צולבים מפוזרים, גרעינים, חותכים וגרסאות בדידות של המנועים שדורכים רק על אתרי סריג לא מאוכלסים על חוט. עצמים אחרים משלימים את החוטים על ידי הצעת גיאומטריה כדורית או מסובכת יותר שניתן להשתמש בה לייצוג כרומוזומים, הגרעין או השלפוחיות בתא.

Cytosim מציעה כלי שורת פקודה פשוטים להפעלת סימולציה והצגת תוצאותיה, שהם מגוונים ואינם דורשים כישורי תכנות. בזרימת עבודה זו, ניתנות הוראות שלב אחר שלב ל- i) להתקין את הסביבה הדרושה במחשב חדש, ii) להגדיר את Cytosim כדי לדמות התכווצות של רשת אקטומיוסין דו-ממדית, ו- iii) לייצר ייצוג חזותי של המערכת. לאחר מכן, המערכת נבדקת על ידי שינוי שיטתי של פרמטר מפתח: מספר הקישור. לבסוף, הייצוג החזותי של המערכת משלים על ידי כימות מספרי של התכווצות כדי לראות, בגרף, כיצד ההתכווצות תלויה בהרכב המערכת. בסך הכל, שלבים שונים אלה מהווים זרימת עבודה טיפוסית שניתן ליישם עם מעט שינויים כדי להתמודד עם בעיות רבות אחרות בתחום השלד התא-שלדי.

Introduction

השלד הציטולוגי מורכב מחוטים בתוך התא ומולקולות נלוות כגון מנועים מולקולריים, המהווים לרוב רשת דינמית בעלת תכונות מכניות יוצאות דופן. השלד הציטולוגי קיים בתצורות שונות בסוגי תאים שונים כמעט בכל צורות החיים. תפקודו הנכון חיוני לתהליכים תאיים בסיסיים כמו חלוקה, תנועתיות וקיטוב. הוא גם שולט באינטראקציות מכניות בין תאים, ובכך משפיע על המורפוגנזה של רקמות ואורגניזמים. השלד הציטולוגי עומד בבסיס מספר פונקציות ומתבטא בתהליכים ביולוגיים רבים. לדוגמא, התכווצות השרירים קשורה לשבץ הכוח של מנועים מולקולריים של מיוזין על חוטי אקטין. דוגמה נוספת היא תחזוקה של נוירונים, המסתמכת על תנועות של מנועי קינזין לאורך מיקרו-צינורות הממוקמים בתוך האקסונים של נוירונים אלה. אקטין ומיקרו-צינורות הם שני סוגים בולטים של חוטי שלד תא, ובלעדיהם, החיים כפי שאנו מכירים אותם יהיו בלתי אפשריים.

השלד הציטולוגי הוא בעצם מערכת ביומכנית, שלא ניתן לצמצם אותה רק לכימיה שלה. מיקרו-צינורות או חוטי אקטין בנויים מאלפי מונומרים ומשתרעים על פני מספר מיקרומטרים. הקונפורמציות של חוטים אלה בחלל והכוחות שהם יכולים להעביר לקרום הפלזמה, לגרעין או לאברונים אחרים הם היבטים מרכזיים בתפקידם בתא. לדוגמה, רשת של חוטי אקטין ומנועי מיוזין, הנקראת אקטומיוסיןקליפת המוח 1, מייצרת כוחות לשמירה על תנועתיות התאים ושינויים מורפולוגיים בתאי בעלי חיים. סידור שונה מאוד נראה בתאי צמחים, כאשר מיקרו-צינורות קליפת המוח מכוונים את שקיעת סיבי התאית, ובכך שולטים בארכיטקטורת דופן התא, מה שבסופו של דבר קובע כיצד תאים אלה יגדלו בעתיד2.

בעוד שמכניקה ממלאת תפקיד משמעותי בפעולות השלד התא, כימיה חשובה לא פחות. חוטים גדלים בתהליך הרכבה עצמית לפיו מונומרים מוצאים את אתר העגינה שלהם בקצה החוט לאחר פיזור דרך הציטופלזמה3. בקנה מידה מולקולרי, הרכבה ופירוק בקצה החוטים נקבעים, אם כן, על ידי זיקות מולקולריות4. באופן דומה, חלבונים של השלד הציטולוגי מפוזרים, ושיעורי קשירה וביטול קשירה קובעים את זיקתם לחוטים שהם נתקלים בהם. במקרה של מנועים מולקולריים, מחזורים של תגובות כימיות הכוללות הידרוליזה של ATP קשורים לתנועות לאורך החוטים ואולי לכוחות המלווים אותם5. למרבה הפלא, השלד הציטולוגי מציע אתגרים יוצאי דופן רבים ומגוון גדול של תהליכים הכוללים רכיבים דומים. זהו מגרש משחקים עשיר בממשק שבין ביולוגיה, כימיה ופיזיקה.

מערכות שלד תא ניתנות למודלים מתמטיים. למעשה, הודות למחקר מצוין שנעשה בעשורים האחרונים, סביר להניח שהמרכיבים המולקולריים העיקריים כבר זוהו, כפי שמודגם באנדוציטוזיס6. באורגניזמים מודלים, כמו שמרים, התכונות של היסודות האלה ידועות, כמו גם הרכב המערכת של חלק מהתהליכים שלהם. לדוגמה, המבנה ותכונות החומר של מיקרו-צינורות7, כמו גם מספרם ואורכם הממוצע בשלבים שונים של הציר המיטוטי, תוארו8. מספר הקינזינים המחברים מיקרו-צינורות למבנה מכני קוהרנטי ידוע לעתים קרובות9. המהירויות של מנועים רבים נמדדו במבחנה10. בנוסף, ניסויים יכולים לצפות ולכמת את המערכות הללו in vivo בתנאים פראיים או מוטציות. שילוב תיאוריה לצד ניסויים in vivo ו-in vitro מאפשר לחוקרים לבחון אם הידע הנוכחי על מערכת שלד תא מספיק כדי להסביר את התנהגותה הנצפית. השימוש בכלים מתמטיים וחישוביים מאפשר לנו גם להסיק מסקנות כיצד רכיבים פועלים באופן קולקטיבי על בסיס הנחות הנגזרות מתצפיות בקנה מידה מולקולרי, בדרך כלל במצבים פשוטים (למשל, ניסויים של מולקולה בודדת).

ניתן להמחיש את תפקידה של התיאוריה באמצעות דוגמה מעשית: הכאת ריסים. מכה זו נובעת מתנועת מנועי דינאין לאורך מיקרו-צינורות בריסים. ניתן לשאול מה קובע את מהירות מנוע הדיניין במערכת זו. תשובה אפשרית אחת היא שהמהירות המרבית מוגבלת על ידי הדרישה לשמור על דפוס פעימה מסוים. זה היה מובן אם המכות היו תחת ברירה טבעית. במקרה כזה, אם המנועים ינועו מהר יותר, התהליך יאבד את התכונות הרצויות שלו - הריסים לא יפעמו באותה יעילות או אפילו ייכשלו לחלוטין. למרות שזה אפשרי, חלופה שנייה היא שגורם מהותי כלשהו יכול להגביל את מהירות הדינין.

לדוגמה, ייתכן שלתא אין מספיק ATP כדי להפוך את הדיניין למהיר יותר, או שפשוט לא ניתן להאיץ את תנועות החלבון הנדרשות לפעילות הדיניין. במקרה כזה, אם ניתן היה להפוך את המנועים למהירים יותר למרות המגבלות הפיזיות, המכות היו משתפרות. אפשרות שלישית, כמובן, היא ששינוי המהירות אינו משפיע על התהליך באופן משמעותי, מה שעשוי להועיל לאורגניזם בכך שהוא מספק "חוסן" מסוים כנגד גורמים בלתי נשלטים. מבין שלוש האפשרויות הללו, ניתן לזהות את הנכונה על ידי חישוב דפוס הפעימות מתכונות הדינין. אכן, מודל מתמטי מתאים אמור לחזות כיצד דפוס הפעימות מושפע ממהירות משתנה של דינין ואינו כפוף למגבלות הקיימות בעולם הפיזיקלי. מטבע הדברים, יש לאמת את תוקף המודל, אך גם מודלים "שגויים" יכולים לייצר רעיונות מעניינים.

המודל יכול ללבוש צורה של מסגרת אנליטית או להיות סימולציה מספרית של המערכת. כך או כך, הפער בין הסקאלה המולקולרית לסולם הפונקציונלי נותר מכשול, ופיתוח מודלים אלה אינו משימה פשוטה, שכן יש לשלב מספר תהליכים מכניים וכימיים במשוואות המתארות את המערכת הביולוגית. התיאוריה מגיעה בצורות שונות, ומציעה פשרות שונות בין פשטות לריאליזם. הגדלת מידת הפרטים במודל אינה תמיד מועילה מכיוון שהיא עלולה להגביל את יכולתנו לפתור את המשוואות או, במילים אחרות, לגזור את התחזיות של התיאוריה. אותה פשרה קיימת עבור סימולציות. המודלים יצטרכו לבחור את מרכיבי המערכת שיש לקחת בחשבון תוך התעלמות מהיבטים מסוימים. החלטות מפתח אלה יהיו תלויות מאוד במטרת המחקר. כיום, השיפורים יוצאי הדופן בחומרת המחשב מאפשרים לדמות מערכות שלד תא רבות עם מספיק פרטים לאורך זמן מספיק כדי לנתח את ההתאמה שלהן. זה לעתים קרובות ייצר רעיונות בלתי צפויים וכיוונים חדשים במחקר. לדוגמה, סימולציות דומות לאלו שישמשו בפרוטוקול זה הובילו לחישוב מאחורי המעטפה שיכול לחזות את ההתכווצות של רשת על סמך הרכבה11.

שיטות נומריות נמצאות בכל מקום בהנדסה ובמדעי הפיזיקה, והשימוש בהן בביולוגיה הולך וגדל. כיום, כמעט כל האמצעים הטכנולוגיים שלנו (שעונים, טלפונים, מכוניות ומחשבים) נוצרו לראשונה במחשב, וקיימות תוכנות חזקות כדי לעשות זאת. בהינתן מערכת שלד תא מאופיינת היטב ובהנחה שנקבעה רמת תיאור מתאימה, עדיין יש לפתור מספר בעיות לפני שניתן יהיה לדמות אותה. עבור הבעיות הפשוטות ביותר, דרך הפעולה המתאימה ביותר עשויה להיות כתיבת סימולציה "על ידי קידוד מאפס", במילים אחרות, להתחיל בשפת תכנות גנרית או פלטפורמה מתמטית כמו MATLAB. יש לכך יתרון שלמחבר הקוד יהיה ידע אינטימי על מה שיושם ויודע בדיוק כיצד התוכנה עובדת. עם זאת, מסלול זה אינו נטול סיכונים, ואין זה נדיר לראות דוקטורנטים מבלים את רוב זמן עבודתם בכתיבת קוד במקום לעסוק בשאלות מדעיות.

האלטרנטיבה היא להשתמש בתוכנה שנוצרה על ידי אחרים, אבל גם זה לא נטול סיכונים; כל קוד מקור גדול נוטה לרכוש באופן ספונטני תכונות של קופסה שחורה בלתי חדירה, למרות המאמצים הראויים להערצה של מחבריהם למנוע זאת. שימוש בקופסאות שחורות הוא בוודאי לא חלומו של מדען. קוד מקור גדול יכול גם להפוך לנטל, וייתכן שיהיה מהיר יותר להתחיל מאפס מאשר לשנות בסיס קוד קיים כדי לגרום לו לעשות משהו שונה. כדי להקל על בעיה זו, תמיד אפשר להזמין את מחברי התוכנה לעזור, אך ייתכן שזה לא מספיק. לעתים קרובות, יש הבדל בתרבות המדעית בין מחברי התוכנה לבין האנשים שרוצים להשתמש בה, מה שאומר שצריך להבהיר הנחות מרומזות רבות. על ידי הפיכת הקוד לקוד פתוח, צפוי שיותר אנשים יהיו מעורבים בפיתוח התוכנה ולשמור על התיעוד שלה, ובכך לשפר את איכותה. כל אלה הם נושאים חשובים שיש לתת להם את הדעת הראויה לפני ביצוע השקעה כלשהי. עם זאת, הדרך היחידה להתקדם בטווח הארוך היא לקדם פתרונות תוכנה מוצקים, המשמשים ומתוחזקים על ידי קהילה רחבה עם אינטרסים מדעיים משותפים.

למרות שפרוטוקול זה משתמש ב-Cytosim, ישנם כלי קוד פתוח אחרים שעשויים להיות מסוגלים לדמות את אותה מערכת, למשל, AFINES12, MEDYAN13, CyLaKS14, aLENS15 ו-AKYT16, אם להזכיר כמה. למרבה הצער, השוואה בין מיזמים אלה היא מעבר לתחום המאמר. כאן ניתנות הוראות שלב אחר שלב להדמיית רשת אקטומיוזין דו-ממדית מתכווצת. מערכת זו פשוטה ועושה שימוש ביכולות המבוססות יותר של Cytosim. Cytosim בנוי סביב מנוע ליבה חוצה פלטפורמות שיכול להריץ סימולציות בדו-ממד או בתלת-ממד. יש לו בסיס קוד מודולרי, מה שהופך אותו להתאמה אישית בקלות לביצוע משימות מסוימות. ציטוסים יציב ויעיל באותה מידה בתלת מימד ושימש בהצלחה בעבר לחקירת בעיות מגוונות הכוללות מיקרו-צינורות וחוטי אקטין: שיוך של שני אסטרים של מיקרו-צינורות17, תנועת הגרעינים בתאים18,19, אנדוציטוזיס6, ציטוקינזיס20, היווצרות הציר המיטוטי21, תנועות הציר המיטוטי22, לכידת כרומוזומים23, התכווצות רשתות האקטומיוזין 11,24, והמכניקה של טבעת המיקרו-צינורות בטסיות הדם25, והיכולות שפותחו עבור פרויקטים אלה נשמרו בקוד. ניתן להתאים את זרימת העבודה המתוארת כאן לבעיות רבות אחרות. הוא עושה שימוש בשורת הפקודה של יוניקס, שאולי אינה מוכרת לחלק מהקוראים. עם זאת, השימוש בשורת הפקודה הוא הדרך הניידת והנוחה ביותר להפוך את תהליך הפעלת הסימולציות לאוטומטי. ממשקי משתמש גרפיים משולבים שואפים להציע גישה קלה ואינטואיטיבית לתוכנה, אך לעתים קרובות זה בא על חשבון הכלליות. מטרת מאמר זה היא להמחיש גישה שניתן לשנות או להתאים בקלות לבעיות אחרות. הערות ניתנות כדי להסביר את משמעות הפקודות.

כדי לדמות רשת אקטומיוזין, חוטים מודלים כקווים מכוונים ומיוצגים על ידי קודקודים המפוזרים לאורכם (איור 1). זוהי רמת ביניים של תיאור, הנפוצה בפיזיקה של פולימרים, המתעלמת מהאופי התלת-ממדי האמיתי של החוטים אך מאפשרת לחשב את הכיפוף. חוטים עשויים לגדול ולהתכווץ בקצותיהם, בעקבות מודלים שונים המכסים גם פנומנולוגיה של אקטין וגם של מיקרו-צינורות. בתאים, חוטים מאורגנים בעיקר באמצעות אינטראקציות המגבילות את תנועתם, למשל, היצמדות לחוטים אחרים או פשוט כליאה בתוך התא. ב-Cytosim, כל האינטראקציות הללו הן ליניאריות ומשולבות במטריצה גדולה26. המשוואות המתארות את התנועה של כל קודקודי הנימה נגזרות ממטריצה זו, בהנחה של תווך צמיג ומונחים משתנים אקראיים המייצגים תנועה בראונית. משוואות אלו נפתרות מספרית כדי להשיג את תנועת החוטים יחד עם כל הכוחות הפועלים עליהם בצורה עקבית ויעילה26. על גבי מנוע מכני זה, ישנו מנוע סטוכסטי המדמה אירועים בדידים, כגון חיבורים וניתוק של מנועים מולקולריים או דינמיקת הרכבה של חוטים. לסיכום, Cytosim משתמש תחילה בדינמיקה מדומה כדי לחשב את המכניקה של רשת חוטים, המחוברים באופן שרירותי כלשהו, ושנית, שיטות סטוכסטיות כדי לדמות את הקשירה, הניתוק והדיפוזיה של חלבונים המחברים או משפיעים על החוטים.

זרימת העבודה המומחשת כאן בוצעה לעתים קרובות כדי לחקור תחילה מערכת המשתמשת ב-Cytosim. השלב הקריטי עבור משתמשים פוטנציאליים רבים עשוי להיות התקנת רכיבי התוכנה. הפצת התוכנה כקוד מקור ממלאת את הציוויים של המדע הפתוח, אך היא מועדת לטעויות מכיוון שלמפתחי התוכנה יש גישה רק למאגר מוגבל של ארכיטקטורה לבדיקת התוכנית. ההידור עלול להיכשל מכיוון שמערכות ההפעלה שונות. ההוראות המובאות כאן עשויות להתיישן עם התפתחות מערכות המחשב וקודי המקור. לפיכך, בדיקה תקופתית של ההוראות העדכניות ביותר באינטרנט היא חיונית. במקרה של בעיה, מומלץ מאוד שמשתמשים ידווחו בחזרה על ידי פרסום בערוץ המשוב הרלוונטי (כרגע דף הבית של Cytosim ב-Gitlab) כדי לעזור לפתור את הבעיה.

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

Protocol

הערה: הפרוטוקול מורכב מהשלבים הבאים: הכנת פלטפורמה עבור Windows 10, MacOS ו-Linux; התקנת Cytosim; תצורת הסימולציה וריצת המבחן והתצוגה הגרפית; ריצות מרובות, משתנות פרמטר: מספר הקישוריות ברשת; יצירת גרף כדי לראות כיצד התכווצות מושפעת ממספר הקישורים; ריצות מקבילות; ודגימה אקראית. כל הטקסט שאחרי ">" הם פקודות שיש להזין מילה במילה בחלון המסוף. ה-">" מייצג את בקשת המסוף ואסור לכלול אותו, אך כל שאר התווים חשובים.

1. הכנת פלטפורמה

הערה: בהתאם למערכת ההפעלה (MacOS, Windows 10 או Linux), בצע את שלב 1.1, שלב 1.2 או שלב 1.3.

  1. הכנה (MacOS)
    1. התקן את כלי שורת הפקודה של Xcode על ידי פתיחת הטרמינל (ביישומים/כלי עזר), והזן:
      gt; xcode-select --install
    2. כדי להציג או לערוך את הקוד של Cytosim, התקן את Xcode מחנות האפליקציות של אפל (https://apps.apple.com/us/app/Xcode/id497799835?mt=12).
      הערה: העורך המובנה של Xcode מתאים לחלוטין. עורכים אחרים מוכווני קוד יעבדו גם הם, למשל, TextMate. לשימוש ב-TextMate, הורד ופעל לפי ההוראות מ-https://macromates.com.
  2. הכנה (חלונות)
    הערה: עבור Windows 10 ואילך, Cytosim יכול לפעול באמצעות "מערכת המשנה של Windows עבור לינוקס" (WSL), כמתואר להלן. חלופה לגרסה ישנה יותר היא Cygwin, אך הוראות אינן מסופקות כאן.
    1. עדכן את מערכת ההפעלה של המחשב כך שתעמוד בדרישות עבור WSL 2: Windows 10 גירסה 1903 ואילך, עם גירסת Build 18362 ואילך, עבור מערכות x64 וגירסה 2004 ואילך, עם גירסת Build 19041 ואילך, עבור מערכות ARM64. לעדכוני גרסאות עוקבים, בדוק https://docs.microsoft.com/en-us/windows/release-health/release-information.
    2. הקלד הפעל ובטל תכונות Windows בתיבת החיפוש של שורת המשימות. הפעלה ידנית של (figure-protocol-1810) פלטפורמת מחשב וירטואלי ו- (figure-protocol-1927) מערכת המשנה של Windows עבור Linux. לחץ על אישור והפעל מחדש את Windows.
    3. עבור אל Windows Microsoft Store וחפש את אובונטו. הורד והתקן את המהדורה הנוכחית (אובונטו 20.04 LTS נכון ל-03.2022)
    4. לחץ על הפעלה כדי להפעיל את מסוף אובונטו. אם תתבקש להוריד את ליבת WSL2 Linux העדכנית ביותר, המשך על ידי ביצוע ההוראות שיסופקו. התקן את העדכון והפעל מחדש את אובונטו.
    5. בצע את הוראות הטרמינל כדי להזין שם משתמש חדש של UNIX ולהגדיר סיסמה. לאחר הגדרת חשבון המשתמש, הפעל את אובונטו מתיבת החיפוש של שורת המשימות של Windows. פתח את ספריית הבית (המכונה "."), מחלון הפקודה:
      > explorer.exe .
    6. התקן שרת X-Window תואם WSL, לדוגמה, Xming: https://sourceforge.net/projects/xming/
    7. הפעל את שרת X-Window, Xming על ידי לחיצה כפולה על סמל Xming; בחר חלונות מרובים. לאחר מכן, פתח את מסוף אובונטו ובצע את שלב 1.3 (לינוקס).
  3. הכנה (לינוקס)
    הערה: הוראות אלה מתאימות להפצות Linux המשתמשות במנהל החבילות של APT. יש לשנות פקודות אלה עבור הפצות כגון Red Hat Linux המשתמשות במנהל חבילות אחר. במקרה זה, בצע את ההוראות של הפצת Linux כדי להתקין את אותן חבילות.
    1. עדכן את מערכת Linux:
      > עדכון sudo apt-get
      > sudo apt-get upgrade
    2. התקינו מהדר C++ והגרעין של גנו (https://www.gnu.org/software/make):
      > sudo apt-get להתקין build-essential
    3. התקן ספריות BLAS/LAPACK (http://www.netlib.org/lapack):
      > sudo apt-get להתקין libblas-dev liblapack-dev
    4. התקן את ספריית המפתחים וקובצי הכותרת של OpenGL (https://www.mesa3d.org):
      > sudo apt-get להתקין mesa-common-dev
    5. התקן את ספריית GLEW (http://glew.sourceforge.net):
      > sudo apt-get להתקין libglew-dev
    6. התקן את ספריית freeGLUT (http://freeglut.sourceforge.net):
      > sudo apt-get להתקין freeglut3-dev
    7. התקן את מערכת בקרת הגרסאות של GIT (https://git-scm.com):
      > sudo apt-get להתקין git
    8. התקן את תוכניות הבדיקה של X11 (למשל, xeyes, xclock, xcalc):
      > sudo apt-get להתקין x11-apps
    9. התאם את משתנה הסביבה תצוגה:
      > ייצוא DISPLAY=:0
      1. נסה לפתוח חלון X11:
        > xeyes
      2. אם זה עובד, המשך לשלב 2. אם השגיאה לא הצליחה לפתוח את התצוגה, נסה ערך DISPLAY אחר.
      3. מצא את כתובת ה-IP של מכשיר WSL2:
        > cat /etc/resolv.conf
      4. אם מספר ה-IP מופיע, למשל, "שרת שמות 10.16.0.7", השתמש במספר ה-IP הזה במקום ב-X.X.X.X להלן:
        > ייצוא תצוגה = X.X.X.X:0
        > xeyes
      5. אם זה עובד, המשך לשלב 2. אם "הפעל" לא מצליח "לפתוח את התצוגה", נסה להפעיל אותו מתוך חלון "xterm":
        > sudo apt להתקין xterm
        > xterm -תצוגה :0
      6. בחלון החדש שנפתח, הקלד:
        > xeyes

2. התקנת ציטוסים

הערה: שלבים אלה דומים עבור כל מערכת הפעלה: MacOS, WSL ו-Linux. בסעיף הבא יונפקו פקודות בטרמינל, ויש להגדיר את "ספריית העבודה הנוכחית" לספרייה בה הורכבה הסימולציה. ספריה זו תיקרא ספריית הבסיס. לחלופין, ניתן לעשות הכל בספרייה נפרדת אם הקבצים מועתקים לפי הצורך. אם אינך מכיר את שורת הפקודה, שקול לעקוב אחר ערכת לימוד, לדוגמה, https://www.learnenough.com/command-line-tutorial או https://learnpythonthehardway.org/book/appendixa.html.

  1. הורד את קוד המקור של Cytosim:
    שיבוט > git https://gitlab.com/f-nedelec/cytosim.git ציטוסים
    הערה: אין צורך בחשבון Gitlab כדי להוריד את הקוד. זה אמור ליצור תת-ספרייה חדשה "ציטוסים" בספרייה הנוכחית.
  2. לקמפל:
    > cd ציטוסים
    > לעשות
    1. בדוק ששלושה קבצים נוצרים ב"סל" של מנהל משנה על-ידי הפעלת:
      > ls bin
    2. אם שלב 2.2.1 נכשל, נסה שיטה חלופית זו כדי להדר על ידי התקנת cmake (https://cmake.org):
      > mkdir b
      > תקליטור ב
      > cmake ..
      > לעשות
      > תקליטור ..
  3. בדוק את קבצי ההפעלה:
    > מידע על סל / סים
    > מידע על סל האשפה/הפעלה
    1. ודא ששני קבצי ההפעלה עברו הידור לביצוע הדמיות דו-ממדיות. חפש את הפלט הבא של שאילתות "מידע" למעלה:
      ממד: 2 מחזורי: 1 דיוק: 8 בתים
    2. אם זה לא המקרה, ורק אז, שנה את הקובץ "src/math/dim.h" (פתח, ערוך כדי לשנות את DIM ל-2, שמור) והדר מחדש את Cytosim:
      > לנקות
      > לעשות
  4. ריצת מבחן
    1. העתק שלושה קבצי הפעלה:
      > cp bin/sim sim
      > cp bin/play play play
      > דוח סל CP/דוח
    2. צור ספרייה חדשה:
      > mkdir run
    3. העתק ושנה את שם קובץ התצורה הסטנדרטי:
      > cp cym/fiber.cym run/config.cym
    4. התחל את הסימולציה:
      > הפעלת תקליטורים
      > .. /סים
    5. דמיין את תוצאות הסימולציה:
      > .. /משחק
      1. לחץ על מקש הרווח כדי להנפיש. הקש h לקבלת עזרה עבור קיצורי מקשים.
      2. כדי לצאת מהתוכנית, ב-MacOS נסה figure-protocol-6767-Q או CTRL-Q, או בחר יציאה מהתפריט. כמוצא אחרון, הזן CTRL-C בחלון הטרמינל שממנו התחיל "משחק".
    6. הפעל במצב חי:
      > .. /שחק בשידור חי

3. תצורת הסימולציה

  1. התקן עורך טקסט מונחה קוד (למשל, TextMate, SublimeText) אם עדיין לא זמין.
    פתח את העורך ופתח את הקובץ "config.cym", הממוקם בספריית "הפעלה" שנוצרה בשלב 2.4.2. הכר את החלקים השונים של קובץ התצורה, שהוא עותק של "fiber.cym" (קובץ משלים 1).
    הערה: Cytosim בדרך כלל קורא רק קובץ תצורה אחד המסתיים ב- ".cym". כל השינויים יבוצעו כאן ל- "config.cym". ראה טבלה משלימה S1 לרשימת פרמטרים.
  2. שנה את הסימולציה על ידי ביצוע השינויים הבאים ב- "config.cym":
    רדיוס=5 → רדיוס=3
    נימה 1 חדשה → 100 נימה חדשה
  3. שמור את הקובץ מבלי לשנות את שמו או את מיקומו (החלף את "config.cym"). עבור לחלון המסוף, ובדוק שההדמיה השתנתה כצפוי עם:
    > .. /שחק בשידור חי
    הערה: רדיוס המעגל מוגדר במיקרומטר (מיקרומטר), וכך גם כל המרחקים בציטוזים. ציטוסים עוקב אחר מערכת של יחידות המותאמות לקנה המידה של התא, הנגזרות ממיקרומטרים, פיקונוטון ושניות.
  4. בפסקה "הגדר נימה סיבים", בצע את השינויים הבאים:
    קשיחות = 20 → קשיחות = 0.1
    סגמנטציה= 0.5 → סגמנטציה=0.2
    confine=בפנים, 200, תא → confine= בפנים, 10, תא
    בפסקה "נימה חדשה", שנה:
    אורך=12 → אורך=2
    צמצם את הזמן להדמיה על ידי שינוי:
    הפעל מערכת 5000 → הפעל מערכת 1000
    הערה: פעולה זו מתאימה את מאפייני החוטים. הפסקה "סט" מגדירה מאפיינים מתמידים של החוטים, בעוד שפרמטרים ב"חדש" הם בדרך כלל תנאים התחלתיים. קשיחות הכיפוף מוגדרת ב-pN מיקרומטר2. הפילוח הוא המרחק המשוער בין הקודקודים המתאר את החוטים במיקרומטר (מיקרומטר). יש להפחית אותו אם החוטים נעשים גמישים יותר. השינוי האחרון מפחית את הנוקשות (pN/μm) של פוטנציאל הכליאה הקשור לקצוות "התא". האורך המוצהר בפסקה "החדשה" (2 מיקרומטר) הוא האורך ההתחלתי של החוטים, ומכיוון שבמודל זה החוטים אינם דינמיים, אורכם לא ישתנה. מומלץ לחתום על קובץ התצורה, על ידי עריכת השורה הראשונה:
    % שמך, תאריך, מקום
    1. בדוק את תקפות קובץ התצורה (חזור על שלב 3.3).
  5. צור מחברים פסיביים.
    1. הוסף פסקה חדשה ל-"config.cym", לפני השורות עם הפקודה "new" ו-"run", כדי להגדיר פעילות מולקולרית עם זיקה לחוטים:
      סט קלסר ידני {
      binding_rate = 10
      binding_range = 0.01
      unbinding_rate = 0.2
      }
    2. כדי להגדיר ישויות דו-פונקציונליות, הוסף פסקה נוספת ממש למטה:
      הגדר זוג צולב {
      hand1 = קלסר
      hand2 = קלסר
      קשיחות = 100
      דיפוזיה = 10
      }
    3. הוסף פקודה "חדשה" אחרי הפסקאות הקודמות ולפני הפקודה "הפעל":
      1000 Crosslinker חדש
      הערה: ב-Cytosim, הקצבים מוגדרים ביחידות של s-1 והתחום במיקרומטר (μm). הנוקשות מוגדרת ביחידות של פיקונוטון למיקרומטר (pN/μm) ומקדם הדיפוזיה במיקרומטר בריבוע לשנייה (מיקרומטר2/s). סדר הפקודות בקובץ התצורה חשוב, ופסקאות אלו חייבות להופיע לפני כל פקודת "הפעלה", אחרת הן לא יהיו יעילות. כדי ללמוד עוד על האובייקטים של Cytosim, עקוב אחר המדריך ב-"tuto_introduction.md", שנמצא בתיקיית משנה "doc" של ספריית הבסיס: doc/tutorials/.
  6. צור מנועים דו-פונקציונליים.
    1. הוסף פסקה חדשה ל- "config.cym", לפני השורות עם הפקודה "new" ו- "run":
      מנוע ידני {
      binding_rate = 10
      binding_range = 0.01
      unbinding_rate = 0.2
      פעילות = תנועה
      unloaded_speed = 1
      stall_force = 3
      }
    2. הוסף פסקה נוספת, לאחר הקודמת:
      סט זוג קומפלקס {
      hand1 = מנוע
      hand2 = מנוע
      קשיחות = 100
      דיפוזיה = 10
      ​}
    3. הוסף פקודה "חדשה" אחרי הפסקאות הקודמות ולפני הפקודה "הפעל":
      מתחם 200 חדש
      הערה: "פעילות = תנועה" מציין מנוע שנע ברציפות על החוטים. המנוע מציית לעקומת כוח-מהירות ליניארית (איור 1) המאופיינת במהירות הפריקה (μm/s) ובכוח העצירה (piconewton). בכל צעד זמן, τ, הוא נע במרחק, v × τ. שימוש ב"פעילות = ללא" יציין מולקולה שאינה זזה, ומכיוון שזו פעילות ברירת המחדל, אפשר פשוט להשמיט את המילה "פעילות" לחלוטין. פעילויות אחרות אפשריות, למשל, "פעילות = הליכה" תציין מנוע עם צעדים נפרדים לאורך הנימה. ה-"unloaded_speed" חיובי עבור מנוע מכוון פלוס-קצה. ציון ערך שלילי יגרום למנוע לנוע לכיוון קצוות המינוס. זה מוסבר בהרחבה במדריך הראשון של Cytosim (ראה קישור בשלב 3.5.2).
  7. שמור את הקובץ.
    בדוק את הסימולציה:
    > .. /שחק בשידור חי
    הפעל את הסימולציה:
    > .. /סים
    דמיין את התוצאות:
    > .. /משחק
    העתק את קובץ התצורה הסופי לספריית הבסיס:
    > cp config.cym .. /config.cym
    הערה: הקובץ הסופי שלך צריך להיות דומה לקובץ משלים 2 ("jove.cym"). שימו לב כמה זמן נדרש לחישוב סימולציה זו. בסעיפים הבאים, זמן זה יוכפל במספר הסימולציות שנעשו כדי ליצור גרף שבו פרמטר משתנה.

4. טאטא פרמטרים

הערה: בסעיף זה, מספר המקשרים ברשת משתנה באופן שיטתי.

  1. ייבא סקריפטים של Python.
    1. צור תת-ספרייה "byn", בתוך ספריית הבסיס:
      > mkdir byn
    2. העתק שלושה סקריפטים מהפצת Cytosim הסטנדרטית:
      > cp python/run/preconfig.py byn/preconfig
      > cp python/look/scan.py byn/.
      > cp python/look/make_page.py byn/.
      הערה: מטעמי בטיחות, עותקים של קבצים אלה מסופקים כקובץ משלים 3, קובץ משלים 4 וקובץ משלים 5 עם מאמר זה.
  2. הפוך את הקבצים לניתנים להפעלה:
    > chmod +x byn/preconfig
    > CHMOD +x BYN/scan.py
    > CHMOD +x BYN/make_page.py
    1. ודא שקבצי ה- Script פועלים כהלכה:
      עזרה של > byn/preconfig
      עזרה > byn/scan.py
      > byn/עזרה make_page.py
      הערה: יש להדפיס תיאור של אופן השימוש בכל פקודה. אפשר לשנות את המשתנה PATH כדי לקרוא לסקריפטים בצורה פשוטה יותר; ראה https://en.wikipedia.org/wiki/PATH_(משתנה).
    2. פתרון בעיות
      1. אם השגיאה היא "הפקודה לא נמצאה", בדוק את הנתיב שצוין, שאמור להתאים למיקום הקובץ. אם יש סוג אחר של שגיאה מכיוון שמערכת ההפעלה אינה מספקת python2, ערוך את שלושת קבצי .py ושנה את ה-shebang, שהיא השורה הראשונה של כל קובץ (פשוט הוסף "3"):
        #!/usr/bin/env python → #!/usr/bin/env python3
  3. העתק את קובץ התצורה כדי להפוך אותו ל"תבנית" (קובץ משלים 6):
    > cp config.cym config.cym.tpl
  4. ערוך את קובץ התצורה של התבנית. בעורך הקוד, פתח את הקובץ "config.cym.tpl", הממוקם בספריית הבסיס. שנה שורה אחת כדי להציג רכיב טקסט משתנה:
    1000 Crosslinker חדש → חדש [[Range(0,4000,100)]] Crosslinker חדש
    הערה: Preconfig יזהה את הקוד הכלול בסוגריים הכפולים ויחליף אותו בערך המתקבל על ידי ביצוע קוד זה ב-Python. ב-Python "range(X,Y,S)" מציין מספרים שלמים מ-X עד Y, עם תוספת של S; במקרה זה [0, 100, 200, 300, ... 4000]. הכוונה היא לשנות את מספר הצלבים שנוספו לסימולציה.
  5. צור קבצי תצורה מהתבנית:
    > byn/preconfig run%04i/config.cym config.cym.tpl
    הערה: פעולה זו אמורה ליצור 40 קבצים, אחד עבור כל ערך שצוין ב-"range(0,4000,100)". שמות הקבצים שייווצרו על ידי Preconfig מצוינים על ידי "run%04i/config.cym". עם קוד ספציפי זה, Preconfig יפיק "run0000/config.cym", "run0001/config.cym" וכו'. זה למעשה יהפוך את הספריות ל-"run0000", "run0001" וכו', וייצור קובץ "config.cym" בכל אחת מהן. בדוק את העזרה של Preconfig לפרטים נוספים (הפעל "byn/preconfig help"). במקרה של שגיאה, בדוק שהפקודה מוקלדת בדיוק. כל דמות נחשבת.
  6. הפעל את כל הסימולציות ברצף:
    > byn/scan.py '.. /sim' לרוץ????
    הערה: התוכנית "scan.py" תבצע את הפקודה המצוטטת ברשימת הספריות שסופקה. במקרה זה, רשימת ספריות זו מוגדרת על ידי "run????". סימן השאלה הוא תו כללי התואם לכל תו אחד. לפיכך, "run????" מתאים לכל שם המתחיל ב-"run" ואחריו בדיוק ארבעה תווים. לחלופין, אפשר להשתמש ב-"run*" כדי ליצור את אותה רשימה, מכיוון ש-"*" תואם לכל מחרוזת.
    1. במקרה של בעיות, בצע פקודה זו מחלון מסוף חדש כדי להפעיל את "sim" ברצף לכל הספריות שנוצרו בשלב 4.5. המתן כ- 30 דקות להשלמת התהליך, אך הדבר תלוי מאוד בקיבולות המחשב. צמצם את כמות החישוב המבוקשת על-ידי עריכת "config.cym":
      הפעל מערכת 1000 → הפעל מערכת 500
  7. דמיין כמה סימולציות:
    > ./play run0010
    > ./play run0020
  8. צור תמונות עבור כל הסימולציות:
    > byn/scan.py '.. /הפעל גודל תמונה = 256 מסגרת = 10 אינץ' ריצה????
  9. צור דף סיכום HTML:
    > byn/make_page.py tile=5 הפעלה????
    1. פתח את "page.html" בדפדפן אינטרנט.

5. יצירת גרף

הערה: בחלק זה, מתבצעת עלילה מתוצאות סריקת הפרמטרים.

  1. בדוק את קובץ ההפעלה של הדוח :
    > הפעלת תקליטורים
    > .. /Report רשת:גודל
    הערה: עבור כל מסגרת במסלול, זה ידפיס כמה הערות ושני מספרים, המתאימים ל"פולימר" ו"משטח". ייעשה שימוש רק ב"משטח "הרשת (העמודה האחרונה).
    1. הגבל את המידע למסגרת אחת באופן ספציפי באמצעות:
      > .. /דוח רשת:גודל מסגרת=10
    2. הסר הערות כדי להקל על עיבוד הפלט:
      > .. /דוח רשת:גודל מסגרת=10 מילולי=0
    3. לבסוף, הפנה את הפלט לקובץ באמצעות מתקן צינור יוניקס (">"):
      > .. /דוח רשת:גודל מסגרת=10 מילולי=0 > net.txt
    4. הדפס את תוכן הקובץ למסוף לאימות:
      > חתול net.txt
      הערה: זה אמור להדפיס שני מספרים. השני הוא המשטח המכוסה על ידי הרשת במסגרת העשירית. כדי לבצע את אותה פעולה בכל ספריות "run", שנה את הספריה:
      > תקליטור ..
  2. צור דוח בכל ספריית משנה של סימולציה:
    > byn/scan.py '.. /report network:size frame=10 verbose=0 > net.txt' run????
    הערה: שוב, scan.py יבצע את הפקודה המצוטטת בכל הספריות שצוינו על ידי "run????". הפקודה היא האחרונה שנוסתה בשלב 5.1. פעולה זו תיצור קובץ "net.txt" בכל ספרייה (נסה "ls run????").
  3. בחנו את המספרים הבאים:
    > byn/scan.py 'Cat net.txt' run????
    1. הוסף את האפשרות "+" כדי לשרשר את שם הספרייה ואת פלט הפקודה:
      > byn/scan.py + ריצת 'חתול net.txt'????
  4. אסוף את המספרים הבאים לקובץ:
    > byn/scan.py + ריצת 'חתול net.txt'???? > results.txt
  5. נקה את הקובץ "results.txt" על-ידי מחיקת הטקסט החוזר שאינו מספרי. פתח את "result.txt" בעורך הקוד והשתמש ב"החלף טקסט" כדי להסיר את כל מחרוזות ה"הפעלה". הסר רק שלוש אותיות, ושמור את המספרים; "run0000" צריך להפוך ל-"0000".
    הערה: פעולה זו אמורה להשאיר קובץ עם מספרים המאורגנים בשלוש עמודות בלבד.
  6. צור תרשים התכווצות מהנתונים ב- "result.txt". השתמש בשיטה כלשהי כדי ליצור תרשים באמצעות עמודה 1 עבור X ועמודה 3 עבור Y. סמן את ציר ה- X כמספר מקשרים צולבים/100. סמן את ציר ה-Y כמשטח (מיקרומטר^2).
  7. אחסן את כל הסימולציות בספרייה נפרדת:
    > mkdir save1
    > MV run???? לחסוך1

6. שיטה חלופית ליצירת גרף

  1. הוסף פקודת דוח בסוף "config.cym.tpl" בשורה חדשה לאחר הסגירה "}" של פקודת ההפעלה:
    רשת דוחות:גודל net.txt { מילולי = 0 }
  2. צור קבצי תצורה:
    > byn/preconfig run%04i/config.cym config.cym.tpl
  3. הפעל את כל הסימולציות באמצעות שרשורים מקבילים:
    > byn/scan.py '.. /sim' לרוץ???? njobs=4
    1. התאם את מספר המשימות (njobs=4), בהתאם לקיבולת המחשב. עקוב אחר השימוש במשאבי ה-CPU, לדוגמה, על-ידי האפליקציה 'צג הפעילות' ב-MacOS.
  4. אסוף את הנתונים:
    > byn/scan.py + ריצת 'חתול net.txt'???? > results.txt
  5. צור עלילה, כמו בשלבים 5.5 ו- 5.6.
  6. אחסן את כל ההפעלות הקודמות בספרייה נפרדת:
    > mkdir save2
    > MV run???? חסוך2

7. עלילה משופרת באמצעות דגימה אקראית

הערה: משתנה נדגם כאן באמצעות פונקציית מחולל מהמודול ה"אקראי" של Python.

  1. בעורך הקוד, פתח את תצורת התבנית file "config.cym.tpl", הממוקם בספריית הבסיס. הוסף שתי שורות, ממש לפני "הצלב החדש":
    [[num = int(random.uniform(0,4000))]]
    %[[num]] xlinkers
    כמו כן, שנה את הפקודה "חדש" כדי להשתמש במשתנה זה:
    חדש [[range(0,4000,100)]] crosslinker → חדש [[num]] crosslinker חדש
    הערה: השורה הראשונה יוצרת משתנה אקראי "num". השורה השניה מדפיסה את ערך הפרמטר. התו "%" חשוב מכיוון שהוא ינחה את Cytosim לדלג על השורה. בקרוב "xlinkers" ישמש כתג שניתן לזהות, והוא חייב להופיע רק פעם אחת בכל קובץ.
    1. בסוף "config.cym.tpl", ודא שקיימת הוראת דיווח:
      רשת דוחות:גודל net.txt { מילולי = 0 }
  2. צור קבצי תצורה:
    > byn/preconfig run%04i/config.cym 42 config.cym.tpl
    הערה: פעולה זו אמורה ליצור 42 קבצים. ניתן להגדיל מספר זה אם המחשב מהיר מספיק. ניתן לראות את הערכים שנוצרו באופן אקראי על ידי שימוש בכלי יוניקס "grep" לחיפוש קבצים:
    > grep xlinkers פועלים???? /config.cym
  3. הפעל את כל הסימולציות במקביל:
    > byn/scan.py '.. /sim' לרוץ???? njobs=4
    הערה: התאם את מספר המשימות לקיבולת המחשב. לקבלת התוצאות הטובות ביותר, יש להגדיר את המשתנה "njobs" שווה למספר ליבות המחשב.
  4. אסוף את הנתונים באמצעות פקודה אחת:
    > byn/scan.py + 'grep xlinkers config.cym; חתול net.txt' לרוץ???? > results.txt
    הערה: האפשרות "+" של scan.py תשרשר את כל הפלט של הפקודה לשורה אחת. במקרה זה, הפקודה מורכבת למעשה משתי פקודות המופרדות על ידי חצי עמודה (";"). איסוף נתונים תמיד יכול להיות אוטומטי עם סקריפט Python.
  5. נקה את הקובץ. פתח את "result.txt" בעורך הקוד. כדי להבטיח שכל הנתונים המתאימים להדמיה אחת כלולים בשורה אחת, מחק את כל המופעים של המחרוזת "xlinkers" והסר את התווים "%" בתחילת כל שורה. לבסוף, שמור את "result.txt", שאמור להיות מאורגן בצורה מסודרת בשלוש עמודות של ערכים מספריים.
  6. צור גרף כדי להתוות את הנתונים על ידי חזרה על שלב 5.6, אך תייג את ציר ה-X כמספר מקשרים צולבים
  7. שמור את מערך הנתונים בתת-ספרייה חדשה:
    >mkdir set1
    > MV run???? set1/.
    > mv results.txt set1/.
  8. חשב מערך נתונים אחר על ידי חזרה על שלבים 7.2-7.6, ולאחר מכן חזור על שלב 7.8, והחלף את "set1" ב-"set2" בכל שלוש הפקודות.
  9. צרו עלילה משולבת.
    1. שרשר את שני קבצי הנתונים:
      > סט חתולים?/results.txt > results.txt
      הערה: ה-"result.txt" החדש צריך להיות גדול יותר.
    2. התווה נתונים כדי ליצור גרף משולב, כמתואר בשלב 7.7.

8. צינור אוטומטי לחלוטין

הערה: בחלק זה, כל הפעולות הדורשות התערבות ידנית מוחלפות בפקודות. כאשר זה נעשה, ניתן יהיה לכתוב סקריפט יחיד שמבצע את כל השלבים באופן אוטומטי. ניתן להפעיל קובץ Script זה במחשב מרוחק כגון חוות מחשוב.

  1. השתמש בפקודה "sed" של יוניקס כדי "לנקות" את קובץ results.txt, והחלף את שלב 7.6.
    1. הסר את ה-"%" בתחילת השורות:
      > sed -e 's/%//g' results.txt > tmp.txt
    2. הסר "xlinkers":
      > sed -e 's/xlinkers//g' tmp.txt > results.txt
  2. כתוב קובץ Script כדי לקרוא לכל הפקודות ברצף בסדר הנכון.
    1. השתמש בשפות שונות: bash או Python.
    2. צור קובץ "pipeline.bash", והעתק את כל הפקודות הדרושות להפעלת קו הצינור.
    3. הפעל את קובץ ה- Script:
      > bash pipeline.bash
  3. השתמש בתסריט התוויה אוטומטי.
    הערה: זה יכול להיות יתרון להסיר את כל ההתערבות הידנית. קיימים כלים רבים ליצירת תרשים PDF ישירות מקובץ נתונים, לדוגמה, gnuplot (http://www.gnuplot.info), PyX (https://pyx-project.org) או Seplot (https://pypi.org/project/seplot/).

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

תוצאות

בסעיף 2, הידור מוצלח של Cytosim באמצעות "make" אמור לייצר sim, play ודוח בתת-הספרייה "bin". הפלט של שלב 2.3 ("מידע על הסים") צריך לציין בין היתר "ממד: 2". בסעיף 3, קובץ התצורה צריך להיות דומה ל-jove.cym, המסופק כקובץ משלים 1. בסעיף 4, iקוסמים שהתקבלו בשלב 4.8 מסימולציות צריכ...

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

Discussion

השיטה המתוארת במאמר זה מסתמכת על שלוש תוכנות פייתון קטנות ועצמאיות, ששימשו בדרכים מגוונות לאורך הפרוטוקול המתואר. התצורה המוקדמת של הסקריפט הראשונה היא כלי רב-תכליתי שיכול להחליף את הצורך בכתיבת סקריפטים מותאמים אישית של Python27. הוא משמש ליצירת קבצי תצו...

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

Disclosures

המחברים מצהירים שאין להם ניגודי אינטרסים.

Acknowledgements

אנו מודים לחברי מועדון הדוגמנות של SLCU, במיוחד טמסין ספלמן, רנסקה ורומן, קמרון גיבסון, ג'נבייב היינס ויואן סמית'רס, ובודקי בטא אחרים של הפרוטוקול, ווי שיאנג צ'ו, דניאל קורטס, רונן זידל-בר, אמאן סוני, צ'איטניה אטאלה, קים בלינגהאם-ג'ונסטון, סרג' דמיטרייף, גאל לטורט וגיסליין דה לביי. אנו מודים על תמיכתם של קרן הצדקה גטסבי (מענק PTAG-024) ומועצת המחקר האירופית (מענק ERC Synergy, פרויקט 951430).

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

Materials

NameCompanyCatalog NumberComments
A personal computerMacOS, Windows 10 or Linux
config.cym.tpltemplate configuration file; https://gitlab.com/f-nedelec/cytosim.git
jove.cymCytosim configuration file
make_page.pyPython script; https://github.com/nedelec/make_page.py
preconfigPython script; https://github.com/nedelec/preconfig
scan.pyPython script; https://github.com/nedelec/scan.py

References

  1. Chugh, P., Paluch, E. K. The actin cortex at a glance. Journal of Cell Science. 131 (14), (2018).
  2. Elliott, A., Shaw, S. L. Update: Plant cortical microtubule arrays. Plant Physiology. 176 (1), 94-105 (2018).
  3. Odde, D. J. Estimation of the diffusion-limited rate of microtubule assembly. Biophysical Journal. 73 (1), 88-96 (1997).
  4. Kerssemakers, J. W. J., et al. Assembly dynamics of microtubules at molecular resolution. Nature. 442 (7103), 709-712 (2006).
  5. Carter, N. J., Cross, R. A. Mechanics of the kinesin step. Nature. 435 (7040), 308-312 (2005).
  6. 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).
  7. 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).
  8. Ward, J. J., Roque, H., Antony, C., Nedelec, F. J. Mechanical design principles of a mitotic spindle. eLife. 3, 1-28 (2014).
  9. 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).
  10. Howard, J. Mechanics of Motor Proteins and the Cytoskeleton. Sinauer Associates. , Sunderland, MA. (2001).
  11. Belmonte, J. M., Leptin, M., Nedelec, F. A theory that predicts behaviors of disordered cytoskeletal networks. Molecular Systems Biology. 13 (9), 941(2017).
  12. 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).
  13. 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).
  14. 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).
  15. Yan, W., et al. aLENS: Towards the cellular-scale simulation of motor-driven cytoskeletal assemblies. arXiv. , (2021).
  16. 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).
  17. Nedelec, F. Computer simulations reveal motor properties generating stable antiparallel microtubule interactions. The Journal of Cell Biology. 158 (6), 1005-1015 (2002).
  18. 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).
  19. De Simone, A., Nedelec, F., Gönczy, P. Dynein transmits polarized actomyosin cortical flows to promote centrosome separation. Cell Reports. 14 (9), 2250-2262 (2016).
  20. 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).
  21. Loughlin, R., Heald, R., Nedelec, F. A computational model predicts Xenopus meiotic spindle organization. The Journal of Cell Biology. 191 (7), 1239-1249 (2010).
  22. Kozlowski, C., Srayko, M., Nedelec, F. Cortical microtubule contacts position the spindle in C. elegans embryos. Cell. 129 (3), 499-510 (2007).
  23. 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).
  24. 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).
  25. 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).
  26. Nedelec, F., Foethke, D. Collective Langevin dynamics of flexible cytoskeletal fibers. New Journal of Physics. 9 (11), 499-510 (2007).
  27. Nedelec, F. preconfig: A versatile configuration file generator for varying parameters. Journal of Open Research Software. 5 (1), 9(2017).
  28. Burute, M., et al. Polarity reversal by centrosome repositioning primes cell scattering during epithelial-to-mesenchymal transition. Developmental Cell. 40 (2), 168-184 (2017).
  29. Manhart, A., Windner, S., Baylies, M., Mogilner, A. Mechanical positioning of multiple nuclei in muscle cells. PLoS Computational Biology. 14 (6), 1006208(2018).
  30. Jain, K., Khetan, N., Athale, C. A. Collective effects of yeast cytoplasmic dynein based microtubule transport. Soft Matter. 15 (7), 1571-1581 (2019).
  31. Strübing, T., et al. Wrinkling instability in 3D active nematics. Nano Letters. 20 (9), 6281-6288 (2020).
  32. Akamatsu, M., et al. Principles of self-organization and load adaptation by the actin cytoskeleton during clathrin-mediated endocytosis. eLife. 9, 49840(2020).
  33. 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).
  34. Sobral, A. F., et al. Plastin and spectrin cooperate to stabilize the actomyosin cortex during cytokinesis. Current Biology. 31 (24), 5415-5428 (2021).
  35. 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).
  36. 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).
  37. Serwas, D., et al. Mechanistic insights into actin force generation during vesicle formation from cryo-electron tomography. Developmental Cell. 57 (9), 1132-1145 (2022).
  38. 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).
  39. 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).
  40. 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).
  41. 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).
  42. Finer, J. T., Simmons, R. M., Spudich, J. A. Single myosin molecule mechanics: piconewton forces and nanometre steps. Nature. 368 (6467), 113-119 (1994).
  43. 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).
  44. 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

Explore More Articles

This article has been published

Video Coming Soon

JoVE Logo

Privacy

Terms of Use

Policies

Contact Us

Recommend to library

JoVE NEWSLETTERS

Research

Education

Authors

Librarians

ABOUT JoVE

Copyright © 2025 MyJoVE Corporation. All rights reserved