16、基于Petri网架构的生物过程计算建模

基于Petri网架构的生物过程计算建模

1. 引言

随着细胞过程生物学知识的迅速增长，系统生物学需要一个计算环境，以便将细胞视为一个系统来理解，并预测其行为，用于假设生成和进一步的实验研究。生物学和医学领域的用户需要一款软件，能够通过整合生物学知识和分析实验数据，自行对细胞内的生物过程进行建模和模拟。基因调控网络、代谢途径和信号转导级联等生物过程是系统理解的重要基础。

1999年，我们预见了系统生物学兴起将给生物学和医学带来的方法学变革，启动了一个软件开发项目，目标是“创建建模概念，开发一个软件环境，让熟悉生物实体和过程但不一定熟悉建模架构细节的用户能够尽可能轻松地对大规模复杂生物过程进行建模、模拟和分析”。2003年，美国能源部启动了“基因组到生命”（GTL）项目，其目标与我们的项目类似，即“开发计算方法和能力，以加深对复杂生物系统的理解并预测其行为”。

为实现上述目标，我们开展了以下研究：
1. 生物过程建模
2. 生物过程模拟
3. 模拟结果可视化
4. 整合现有生物途径数据库用于建模

我们开发了一系列应用程序和软件，如Genomic Object Net（GON）和GONML用于建模和模拟，GON Visualizer用于可视化，BioPathway Executer（BPE）和BPE Online System（BPEOS）用于整合数据库。为了更好地建模，我们定义了混合功能Petri网（HFPN）和扩展混合功能Petri网（HFPNe）的概念，GON采用HFPNe架构实现。

2. 现有建模架构的局限性

在1999年，我们研究了用于生物途径建模的软件工具和方法。当时存在