Simulation Of Cell Signaling Communications

Abstract

[ANGLÈS] Cells, whether they be unicellular organisms or belong to a multicellular organism, are able to encode and transmit information to each other by means of signaling molecules and the diffusion processes in the extracellular fluid. The aim of this project is to develop an Event Driven Molecular Dynamics (EDMD) simulator using the Omnet++ Simulation Framework in order to study cell signaling communications between cellular organisms. First, an introduction of cell signaling communications and its characteristics are given. Specifically, a paracrine signaling perspective is given, that is, near cell communications. Then, the hard sphere model is presented as a suitable model for the simulator. The combination of two well known algorithms, the cell lists algorithm and Verlet lists algorithm is presented to improve the execution time of EDMD simulations. Also a novel, web based 3D visualization component is introduced to improve the representation of the simulation state. Results obtained from simulations show the validy of the implemented algorithms and execution improvements of the proposed combionation of the two algorithms. Furthermore, the hard sphere model is proven as a valid model for the simulation of molecular diffusion processes. Finally an ideal signaling communication scenario between two cells is studied and characterized in the time domain using the implemented simulator.

[CASTELLÀ] Las células, ya sean organismos unicelulares o que forman parte de un organismo pluricelular, son capaces de codificar y transmitir información entre ellas mediante moléculas de señalización y los procesos de difusión en el fluido extracelular. El objetivo de este proyecto es el de desarrollar un simulador de Dinámica de Partículas por Eventos (EDMD) utilizando el entorno de desarrollo Omnet++ para poder estudiar las comunicaciones entre organismos celulares. Primero se da una introducción a las comunicaciones de señalización celular y sus características. En concreto, se ofrece una perspectiva orientada a la señalización paracrina, es decir, comunicación celular de corta distancia. Posteriormente se introduce el modelo de esferas sólidas como modelo adecuado para el simulador. Se propone la combinación de dos conocidos algoritmos, el algoritmo de listas de celdas y el algoritmo de listas de Verlet para mejorar el tiempo de ejecución de las simulaciones EDMD. También se presenta un nuevo visualizador 3D basado en tecnologías web para mejorar la representación del estado de la simulación. Los resultados obtenidos a partir de las simulaciones demuestran la validez de los algoritmos implementados y las mejoras obtenidas en los tiempos de ejecución utilizando la solución propuesta. Además, se prueba la validez del modelo de esferas sólidas como modelo válido para la simulación de los procesos de difusión molecular. Finalmente, se estudia y caracteriza temporalmente el canal de comunicación de un escenario ideal utilizando el simulador desarrollado.

[CATALÀ] Les cèl·lules, ja siguin organismes unicel·lulars o que formin part d'un organisme pluricel·lular, són capaces de codificar i transmetre informació entre elles mitjançant molècules de senyalització i els processos de difusió en el fluid extracel·lular. L'objectiu d'aquest projecte és el de desenvolupar un simulador de Dinàmica de Partícules per Esdeveniments (EDMD) utilitzant l'entorn de desenvolupament Omnet++ per poder estudiar les comunicaciones entre organismes cel·lulars. Primer es dona una introducció a les comunicacions cel·lulars i les seves característiques. En concret, s'ofereix una perspectiva orientada a la senyalització paracrina, és a dir, comunicació cel·lular de curta distància. Posteriorment es dóna a conèixer el model d'esferes sòlides com a model adequat per al simulador. Es proposa la combinació de dos coneguts algoritmes, l'algoritme de llistes de cel·les i l'algoritme de llistes de Verlet per millorar els temps d'execuió de les simulacions EDMD. També es presenta un nou visualitzador basat en tecnologies web per millorar la representació de l'estat de la simulació. Els resultats obtinguts a partir de les simulacions demostren la validesa dels algoritmes implementats i les millores obtingudes arrel d'utilitzar la proposta de combinar tots dos algoritmes. A més, es comprova la validesa del model d'esferes sólides com a model vàlid per a la simulació de processos de difusió molecular. Finalment, s'estudia i es caracteritza temporalment el canal de comunicació d'un escenari ideal utilitzant el simulador desenvolupat.