Morpheus - Etablierung der ersten nachhaltigen Software-Infrastruktur für multiskalige Modellierung und Simulation von mehrzelligen biologischen Systemen

• Antragsteller: Dr. Lutz Brusch
• Fachliche Zuordnung: Bioinformatik und Theoretische Biologie ; Entwicklungsbiologie
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 391070520

Über die gesamten Lebenswissenschaften hinweg stellt die Computer-gestützte Modellierung ein immer wichtigeres Werkzeug zum Studium der dynamischen Prozesse in biologischen Geweben und Organen dar. Bio-medizinische Forscher benötigen jetzt Lösungen speziell für multiskalige Simulationen von mehrzelligen Systemen, um das emergente räumlich-zeitliche Verhalten auf der Gewebeskala mit den molekularen und genetischen Regulationsnetzwerken verknüpfen zu können und so wichtige neue Impulse für die Medizin zu geben.Diesem Bedarf folgend, haben wir den Software-Prototypen Morpheus entwickelt. Morpheus (1) simuliert multiskalige Modelle, bietet (2) eine integrierte Modellierungsumgebung mit bedienfreundlicher graphischer Oberfläche und (3) Plugin-Schnittstellen zur Erweiterbarkeit. Als weltweites Alleinstellungsmerkmal verfügt Morpheus über eine rein deklarative Sprache zur Definition mehrzelliger Modelle, die wir MorpheusML getauft haben. Diese neue Sprache ermöglicht die sehr wichtige strikte Trennung von Modell und Simulationscode. Der Quellcode ist unter BSD Lizenz auf GitLab frei verfügbar.Drei Hürden erschweren gegenwärtig die breitere Anwendung von Morpheus, (1) eine unsichere langfristige Verfügbarkeit, (2) fehlende Infrastruktur für die Veröffentlichung von Modellen, sowie (3) fehlende Infrastruktur zur weiteren dezentralen Entwicklung von Simulator und Sprache.Dieses Projekt hat drei entsprechende Ziele: (1) Qualitätssicherung und Verbreitung incl. Unit-Tests, kontinuierlicher Integration, Dokumentation, Training; (2) Etablierung einer kollaborativen Infrastruktur für Archivierung und Austausch von MorpheusML-basierten Modellen in einem zitierfähigen Repositorium; (3) Entwicklung langfristiger Strategien und Infrastruktur für Interoperabilität von mehrskaliger Simulationssoftware und für die Orchestrierung des kontinuierlichen Standardisierungsprozesses.Damit werden wir die erste nachhaltige Software-Infrastruktur für multiskalige Modellierung und Simulation von mehrzelligen biologischen Systemen etablieren. Wir entwickeln dabei neue e-Research Technologien sowohl anwendungsbezogen als auch verallgemeinerbar auf andere Simulationssoftware bei gleichzeitigem Standardisierungsprozess der Modelle. Nutzer der Software und internationale Experten, die bereits Ihre Unterstützung zugesichert haben, werden in den Entwicklungsprozess einbezogen. Die Infrastruktur wird langfristig am Zentrum für Informationsdienste und Hochleistungsrechnen der TU Dresden betrieben werden.Als Projektergebnis wird die mehrskalige Modellierung und Simulation in etwa 6 Jahren von bio-medizinischen Forschern weltweit standardmäßig eingesetzt werden können. Die Studien werden an Reproduzierbarkeit gewinnen, Modelle werden über Repositorien ausgetauscht, unabhängig geprüft und erweitert werden können, was insgesamt die Bekämpfung komplexer Krankheiten stärken wird.Schlagworte: Systembiologie, Systemmedizin, Standardisierung mehrzelliger Systeme, Modellrepositorium

• DFG-Verfahren: Forschungsdaten und Software (Wiss. Literaturversorgung und Informationssysteme)