SBML

SBML tiene tres propósitos principales:

• Permite el uso de múltiples herramientas de software sin tener que reescribir los modelos para adaptarlos al formato de archivo particular de cada herramienta;
• permitir que los modelos se compartan y publiquen en un formato que otros investigadores puedan utilizar 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 pretende definir un lenguaje universal para modelos cuantitativos. Su propósito es servir como una lengua franca , un formato de intercambio utilizado por diferentes herramientas de software actuales para comunicar los aspectos esenciales de un modelo computacional. ^{[ 12 ]}

SBML puede codificar modelos compuestos por entidades (denominadas especies en SBML) sobre las que actúan procesos (denominados reacciones ). Un principio importante es que los modelos se descomponen en elementos constituyentes etiquetados explícitamente, cuyo conjunto se asemeja a una representación detallada de ecuaciones de reacciones químicas (si el modelo utiliza reacciones) junto con ecuaciones explícitas opcionales (si el modelo las utiliza). La representación SBML no convierte deliberadamente el modelo directamente en un conjunto de ecuaciones diferenciales ni en ninguna otra interpretación específica del mismo. Esta descomposición explícita, independiente del marco de modelado, facilita que una herramienta de software interprete el modelo y traduzca el formato SBML al formato interno que utilice.

Un paquete de software puede leer la descripción de un modelo SBML y traducirla a su propio formato interno para el análisis del modelo. Por ejemplo, un paquete podría permitir simular el modelo mediante la construcción de ecuaciones diferenciales y, posteriormente, realizar una integración numérica en el tiempo sobre dichas ecuaciones para explorar su comportamiento dinámico. O bien, 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 mediante una estructura de datos específica que organiza la información relevante. Estas estructuras de datos determinan cómo se codifica el modelo resultante en XML.

Además de los elementos mencionados, otra característica importante de SBML es que cada entidad puede tener anotaciones legibles por máquina. Estas anotaciones se pueden usar para expresar relaciones entre las entidades de un modelo dado y las entidades de 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 metabólicas, vocabularios controlados, etc. Con las anotaciones, un modelo se convierte en algo más que una simple representación de una construcción matemática: se convierte en un marco semánticamente enriquecido para comunicar conocimiento. ^{[ 13 ] [ 14 ]}

SBML se define en niveles : especificaciones compatibles con versiones anteriores que añaden funcionalidades y capacidad expresiva. Las herramientas de software que no necesitan o no pueden soportar la complejidad de los niveles superiores pueden seguir utilizando los niveles inferiores; las herramientas que pueden leer niveles superiores tienen la garantía de poder interpretar también 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, y las nuevas versiones de un nivel sí reemplazan a las versiones anteriores del mismo nivel.

Actualmente existen tres niveles de SBML definidos. Las versiones actuales dentro de esos niveles son las siguientes:

• Nivel 3 Versión 2 Core, para la cual se publicó la especificación final Release 2 el 26 de abril de 2019.
• Nivel 2 Versión 5 Lanzamiento 1
• Nivel 1 Versión 2

La infraestructura de software de código abierto, como libSBML y JSBML, permite a los desarrolladores dar soporte a todos los niveles de SBML en su software con un mínimo esfuerzo.

El equipo de SBML mantiene un sistema público de seguimiento de incidencias donde los lectores pueden informar de errores u otros problemas en los documentos de especificación de SBML. Las incidencias reportadas se incluyen posteriormente en la lista de erratas oficiales de cada versión de la especificación. Estas listas se encuentran documentadas en la página de especificaciones de SBML.org .

El desarrollo de SBML Nivel  3 se ha llevado a cabo de forma modular. ^{[ 15 ]} La especificación Core es un formato completo que puede utilizarse de forma independiente.  Se pueden añadir paquetes adicionales de Nivel 3 a este núcleo para proporcionar funcionalidades adicionales y opcionales.

Una definición de modelo en los niveles 2 y 3 de SBML consta de listas de uno o más de los siguientes componentes:

• Definición de función : Una función matemática con nombre que puede utilizarse en el resto de un modelo.
• Definición de unidad : Definición con nombre de una nueva unidad de medida, o redefinición de una unidad predeterminada de SBML existente. Las unidades con nombre se pueden usar para expresar cantidades en un modelo.
• Tipo de compartimento (solo en SBML Nivel  2): ​​Un tipo de ubicación donde se pueden ubicar entidades reactivas, como sustancias químicas.
• Tipo de especie (solo en SBML Nivel  2): ​​Un tipo de entidad que puede participar en reacciones. Ejemplos de tipos de especies incluyen iones como Ca ²⁺ , moléculas como glucosa o ATP, sitios de unión en una proteína, entre otros.
• Compartimento : Un recipiente bien mezclado, de un tipo y tamaño definidos, donde se pueden ubicar las especies. Un modelo puede contener varios compartimentos del mismo tipo. Cada especie en un modelo debe estar ubicada en un compartimento.
• Especie : Un 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 con nombre, 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 usar para definir cómo se puede calcular el valor de una variable a partir de otros valores y variables al inicio del tiempo de simulación.
• Regla : Expresión matemática utilizada en combinación con las ecuaciones diferenciales construidas a partir del conjunto de reacciones de un modelo. Se puede usar para definir cómo se calcula el valor de una variable a partir de otras variables o para definir la tasa de cambio de una variable. El conjunto de reglas de un modelo se puede usar 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 toda la duración del tiempo simulado.
• Restricción : Expresión matemática que define una restricción sobre los valores de las variables del modelo. Esta restricción se aplica en todos los instantes de tiempo simulado. El conjunto de restricciones del modelo no debe utilizarse para determinar su comportamiento en función del tiempo.
• Reacción : Un enunciado que describe un proceso de transformación, transporte o unión que puede cambiar la cantidad de una o más especies. Por ejemplo, una reacción puede describir cómo ciertas entidades (reactivos) se transforman en otras (productos). Las reacciones tienen expresiones cinéticas asociadas que describen la rapidez con la que tienen lugar.
• Evento : Una 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 un parámetro) cuando se cumple una condición desencadenante.

SBML shorthand es una especificación y una herramienta Python asociada para convertir SBML y la notación abreviada. El formato fue desarrollado por el grupo de biología de sistemas de Newcastle (Reino Unido) antes de 2006. ^{[ 26 ]} Su objetivo era permitir a los modeladores crear modelos más rápidamente sin tener que escribir XML directamente ni usar herramientas con interfaz gráfica. Se proporcionan dos herramientas Python: mod2sbml.py y sbml2mod.py. Se requiere el paquete libSBML para Python para facilitar la conversión. Actualmente, SBML-shorthand admite SBML Nivel 3, versión 1.

El siguiente código es un ejemplo del uso de la notación abreviada SBML para describir el mecanismo simple enzima-sustrato.

@compartimentos celda=1 @especies célula:sustrato=10 célula:Enzima=5 celda:Complejo=0 celda:Producto=0 @parámetros k1=1 k1r=2 @reacciones @rr=Enlace Sustrato + Enzima -> Complejo Complejo k1*Sustrato*Enzima-k1r* @r=Conversión Complejo -> Producto + Enzima kcat*Complejo: kcat=3

Antimony se basa en un DSL anterior implementado en la aplicación de modelado Jarnac. ^{[ 27 ]} Esta, a su vez, se basó en la aplicación de modelado SCAMP ^{[ 28 ]} que finalmente se inspiró en el lenguaje DSL desarrollado por David Garfinkel para el simulador BIOSIM. ^{[ 29 ]}

Al igual que SBML-shorthand, Antimony proporciona una representación textual simplificada de SBML. Utiliza un mínimo de caracteres de puntuación, lo que facilita la lectura y comprensión del texto. También permite a los usuarios añadir comentarios. Antimony está implementado en C/C++ ^{[ 30 ]} y utiliza Bison como analizador gramatical. Sin embargo, la distribución también incluye enlaces para Python que se pueden instalar con pip para facilitar su uso desde Python. También está disponible a través del paquete Tellurium ^{[ 31 ]} . Más recientemente, se ha generado una versión en JavaScript/WASM ^{[ 32 ]} que permite utilizar el lenguaje Antimony en la web. La herramienta web makesbml utiliza la versión en JavaScript ^{[ 33 ]} . Antimony admite SBML Nivel 3, versión 2. Antimony también admite los siguientes paquetes de SBML: Composición de Modelos Hierárquicos, Restricciones de Balance de Flujo y Distribuciones.

El siguiente ejemplo ilustra cómo se utiliza el antimonio para describir un modelo cinético enzimático sencillo:

 Unión: Sustrato + Enzima -> Complejo; k1*Sustrato*Enzima - k1r*Complejo; Conversión: Complejo -> Producto + Enzima; kcat*Complejo; // Inicialización de especies Sustrato = 10; Enzima = 5; Complejo = 0; Producto = 0; // Inicialización de variables k1 = 1; k1r = 2; kcat = 3;