COMSOL应用程序：肌动蛋白丝电化学现象的交互式计算与可视化

软件X 20（2022）101259原始软件出版物CACPPAF，一个COMSOL应用程序，用于表征肌动蛋白丝生物学Santiago Manrique-Bedoya，MarceloMarucho美国德克萨斯大学圣安东尼奥分校物理与天文系，邮编：78249ar t i cl e i nf o文章历史记录：2022年5月17日收到收到修订版，2022年10月26日接受，2022年保留字：Comsol应用肌动蛋白丝聚电解质性质电化学相互作用科学软件电化学现象a b st ra ct我们提出了一个交互式COMSOL网络应用程序，允许专家和非专家用户数值评估的电势，离子浓度分布，速度分布，和离子电流沿分子结构表面表征肌动蛋白丝。这个在线计算和可视化工具在高性能服务器（http://marucholab.physics.utsa.edu:2036）上运行，使用户能够在不影响计算资源的情况下执行多种分析和比较作为一个独特的功能，多物理制剂占长丝表面粗糙度，有限的长丝尺寸和离子凝聚，提供了更深入的了解发生在不规则的带电形状的长丝和它的生物环境之间的界面的电化学现象。总的来说，互动组件允许研究人员在生理和病理条件下表征健康和异常肌动蛋白丝的特性。©2022作者（S）。由爱思唯尔公司出版这是CC BY-NC-ND下的开放获取文章许可证（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。代码元数据当前代码版本v1.0用于此代码版本的代码/存储库的永久链接https://github.com/ElsevierSoftwareX/SOFTX-D-22-00137法律代码许可证GLPv 2可再生胶囊的永久链接https://doi.org/10.1039/D1RA09280D版本控制系统使用Git使用Comsol 6.0或更高版本的软件代码语言、工具和服务编译要求、操作环境依赖性Comsol Multiphysics和化学反应工程模块（如有）开发人员文档/手册https://github.com/MarceloMarucho/CACPPAF问题支持电子邮件marcelo. utsa.edu1. 动机和意义肌动蛋白丝是由G-肌动蛋白聚合形成的高度带电的双链半柔性聚电解质。它们是细胞骨架的主要组成部分之一，在真核细胞的几种生物学活动中起关键作用，包括定向生长、形状、分裂、可塑性和迁移[1最近的研究还揭示了它们以离子包波的形式在周围*通讯作者。电子邮件地址：marucho. utsa.edu（Marcelo Marucho）.https://doi.org/10.1016/j.softx.2022.101259[6这种新特性具有潜在的应用范围，从神经元信息处理[12]到3D芯片[13，14]，半导体纳米线[15]，生物纳米转运体[16，17]和离子电子器件[18]。因此，这些聚电解质在不同条件和构型下的电导率和电容特性的准确和有效的表征理论模型和计算工具已经发展到带来新的光在灯丝的表面周围发生的现象2352-7110/©2022作者。由爱思唯尔公司出版。这是一篇开放获取的文章，使用CC BY-NC-ND许可证（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表SoftwareX期刊主页：www.elsevier.com/locate/softxSantiago Manrique-Bedoya和Marcelo Marucho软件X 20（2022）1012592=2和共离子[19，20]，以及该层固有的导电和电容特性[20，21]。这些工具通常使用无限长的圆柱形细丝模型和电势的线性化便于计算并得到解析表达式。对于细胞内和体外条件下通常存在的电压刺激和电解质溶液的范围，这些方法能够预测在细胞内条件下具有较高线性电容和非线性电荷积累的较低电导率[20]。此外，已知在不健康的肌肉和非肌肉细胞中发生的温度变化和pH差异显示出导致肌动蛋白单体（和细丝）表面的不同离子累积、离子电导率和离子波包速度[23]。本文介绍了CACPPAF（COMSOL Application to Char-acquiredPolyelectrolyte Properties of Actin Filaments），这是一个面向教育工作者和研究人员的在线COMSOL Multiphysics ®工具。该工具允许专家和非专家用户数值评估电势，离子浓度分布，速度分布，和离子电流沿分子结构表面表征肌动蛋白丝。作为一个独特的功能，我们的软件帐户上的长丝表面的表面粗糙度，有限的长丝尺寸，和离子凝聚对这些polyacetylyte属性的影响。为了提高精度，CACPPAF使用野生型肌动蛋白丝的分子结构模型，并实现了非线性PB的解决方案，而不会大幅增加计算成本。此外，用户可以改变预定义的输入参数，如温度，电压输入，离子浓度和细丝表面电荷密度，以研究各种条件下的肌动蛋白细丝。该软件不需要特定编程语言的知识或计算建模方面的专业知识，并附带详细的用户指南。2. 软件描述2.1. 软件体系结构CACPPAF使用了一种改进的（更平滑的）肌动蛋白丝分子结构表面模型，该模型从蛋白质数据库中获得，体积Vf= 5365700 Ω 3，表面积Af= 245700 Ω 3，长度Lf767。24英里。此版本的应用程序- 图中考虑了具有均匀表面电荷密度的细丝。此外，CACPPAF实现了有限元方法(FEM)将控制非线性静电和流体流动方程离散为3，330，646个单元。有关计算建模的更多详细信息，请参见参考文献[24]。值得一提的是将这些功能保留在幕后，可以防止用户在非物理和不切实际的情况下运行模拟，主要是针对那些没有计算建模专业知识的用户。我们在COMSOL服务器网站（http://marucholab.physics.utsa.edu:2036 ） 中部 署 了CACPPAF，可以通过任何Web浏览器访问。图1显示服务器主页和关于用户帐户请求的附加信息COMSOL服务器许可证限制为300个用户帐户。用户必须是世界各地任何学术或研究机构的学生，教师和工作人员因此，用户必须请求M博士。马鲁乔有一个访问服务器的账号在此版本的应用程序中，COMSOL的求解器配置、边界条件、网格定义和细丝模型是预定义的计算在配备1.5 TiB（1.6 TB）内存空间和192个Intel®处理器Fig. 1. 服务器主页和用户帐户要求。Xeon（R）Platinum 8360H CPU@3 GHz。因此，没有计算负担依赖于用户此外，用户通过我们的Web服务器使用我们的应用程序不需要Comsol许可证平均而言，应用程序在生理条件下使用野生型细丝的默认配置在24个CPU核心上执行计算需要7.5用户可以改变这种配置，以阐明表面不规则性的影响，有限大小的细丝，和电解质的改变对肌动蛋白细丝的可折叠性。一旦模拟结束，应用程序提供选项在Word文档中创建报告，将模拟结果（例如输入、输出和图形）汇编在一起，以进行后处理分析。此外，用户可以从计算机物理通信数据库下载应用程序到他们的本 地 机 器 。 在 本 地 运 行 应 用 程 序 需 要 用 户 拥 有 自 己 的COMSOLMultiphysics®和化学反应工程模块许可证。此外，性能将 在 很 大 程 度 上 取 决 于 他 们 的 机 器 的 能 力 。 例 如 ， 配 备 64 位Windows 10、24 GB RAM和12个Intel（R）Xeon（R）CPU W3680的PC@3.33 GHz处理器将需要大约30分钟来运行模拟，并使用高达85%的RAM内存。2.2. 软件功能一 旦 用 户 登 录 到 我 们 的 COMSOL 服 务 器 网 页 （ http ：//marucholab.physics.utsa.edu：2036），他们将发现我们的应用程序标题为“CACPPAF（COMSOL应用程序，以表征肌动蛋白丝的聚电解质性质）”点击 如图 2，布局分为四个主要部分：顶部的主页功能区，中间左侧的模拟信息面板，左下角的几何图形窗口和中间右侧的结果图形窗口在GUI顶部和主页功能区上方，用户可以找到文件选项卡。此选项卡包含退出按钮，允许用户随时关闭和退出应用程序。请注意，关闭应用程序的浏览器选项卡不会关闭Santiago Manrique-Bedoya和Marcelo Marucho软件X 20（2022）1012593图二.Comsol应用程序图形用户界面。应用程序，并且必须在服务器主页上执行其他操作。主页功能区分为三个部分：文档、模拟和结果。将鼠标悬停在功能区上的按钮上可以向用户提供有关按钮功能的详细信息。文档部分包含自述文件和报告按钮。第一个提供对包含如何使用应用程序的 详细说明的文 档的访问。 而另一个 按钮生成一个Microsoft Word文档，其中包括输入的参数值和模拟结果。“模拟”区域有三个按钮：几何体、网格和计算。几何和网格按钮显示灯丝及其周围的介质在几何图形窗口（见图）。 3）。默认情况下，首次启动应用程序时，“几何”窗口显示肌动蛋白丝分子结构的三维计算模型。网格按钮允许用户可视化计算中使用的几何体的离散化。而“几何体”按钮隐藏网格并显示默认的3D模型。其他功能位于图形窗口（几何图形和结果）的顶部。如图4、这些功能允许用户进一步与模型进行交互与主功能区按钮类似，将鼠标悬停在图形窗口内的每个图标上可提示按钮的功能。此外，用户可以使用鼠标按钮来实现与模型的进一步交互。例如，按住左键单击可以旋转模型;同样，右键单击可以平移，滚动按钮在按住并拖动时充当放大/缩小工具。计算按钮使用输入部分中设置的参数运行模拟（更多详情请参见第2.3节），并在结果图形窗口中显示结果（参见图2）。 2）的情况。默认情况下，首次启动应用程序时会显示3D总电流图有关在“结果”窗口中生成的图的详细信息，请参见第3节。2.3. 输入和输出控制模型的输入和输出位于“仿真信息”面板下的“输入”部分，GUI的左侧，几何图形窗口的上方。细丝模型和电解质的默认输入参数值表征生理条件下的野生型细丝（更多详情见[24用户可以更改温度、电压输入、离子浓度和灯丝表面电荷密度的这些预定义输入参数值。例如，CACPPAF允许用户考虑病理和生理细胞内条件下的温度梯度，细胞质中的温度范围为308 K至315 K [7]，细胞核中的温度约高1°C（与细胞质相比）[24]，线粒体中的温度约为321 K [22]。此外，用户可以根据核苷酸状态、亚型、错义突变和pH溶液考虑各种细丝表面电荷密度[23]。此外，他们可以模拟不同的离子体浓度和种类，以及纵向电压梯度取决于细胞室。最后，按下Compute（计算）按钮启动计算过程，随后更新结果图形窗口中的Zeta电位和Santiago Manrique-Bedoya和Marcelo Marucho软件X 20（2022）1012594=∑我RT=F∑我zi ci描述总电荷密度分布。图三. 几何体和网格3. 结果见图4。 图形窗口功能。此外，离子浓度的特征在于玻尔兹曼分布已经表明，不规则形状的灯丝引起了一个臭名昭著的角度依赖于平均电C=ce（−zi FV）（2）电位（MEP）曲线分布[24]。此外，反离子的累积和共离子的耗尽遵循玻尔兹曼统计，其指数地依赖于MEP（参见等式10）。（2））。因此，MEP的角度依赖性也会影响灯丝表面周围的离子浓度分布。此外，纵向电压梯度，以及灯丝表面电荷和周围离子之间的电化学相互作用驱动电解质速度分布。这三个量（MEP、浓度和速度）对电流表面密度分布的贡献如下其中ci0是物质i的体浓度，zi是物质i的电荷，R是气体常数，T是电解质温度（可以找到关于数学公式的更多细节见参考文件[24]）作为区别特征，CACPPAF提供长丝的平均Zeta电位，其被计算为长丝表面周围的平均Zeta电位 此值显示在模拟输出部分。此外，结果图形窗口包括三种类型的图：三维体积和箭头字段、表面图和线轮廓，如图所示。 五、J x= kE x+vxρe，J y= − k <$V，Jz=−kV（一个）“总电流”按钮显示3D图。色标阿雷兹河灯丝表面上的箭头表示灯丝周围的MEP，而灯丝周围的箭头表示总MEP其中xVp/L表示施加的外部电场在系统上，Vp表示纵向电压梯度（输入），Vx是轴向速度分布，V是平均电势，k=F2z2uici表示电解质电导率，离子电流密度矢量的方向和它们的颜色表示总离子电流的大小。另外，沿着灯丝的纵向轴线的半透明平面示出了灯丝周围的电势，并示出了EDL的e这里，F是法拉第常数，并且参数zi和ui分别代表离子物质i的价态和迁移率在垂直于灯丝纵向的平面上围绕灯丝表面测量的所有量的分布我0而ρ用户可使用Surface Profiles菜单可视化表面Santiago Manrique-Bedoya和Marcelo Marucho软件X 20（2022）1012595图五. 结果轴线平面位于模型的中心。它被定义为围绕灯丝的角度（以弧度为单位）和远离灯丝的距离的函数，如下所示x=X0，y=rsin（θ），z=rcos（θ）（3）这里，X0是指灯丝沿X轴的中心，r的范围在细丝的表面和远离表面100 π之间，并且θ是垂直于细丝轴测量的0和2π线轮廓菜单为用户提供了一个新的视角，可以看到灯丝轮廓周围测量的不同数量的分布轮廓。代替一个参数曲面，线轮廓沿着排列的以不同的角度（0°、60°、90°、135°、240°和315°）进一步揭示了由细丝的不规则形状引起的高角度依赖性这些线位于灯丝的中心，并垂直于其纵轴。最后，保存数值数据按钮位于结果功能区部分的最右端。该按钮包含一个下拉菜单，列出用户可以保存到其机器上的可用2D数据集（见图6）。每个可用数据集将为用户提供一个四列表格，其中包含距离灯丝表面的距离（r）（单位：埃）、角度（单位：弧度）、感兴趣的量（电势、纵向电流、径向电流、速度或浓度）以及图中点的半径。最后一列可以忽略，因为所有图的点半径都设置为14. 影响CACPPAF最近被用于表征生理条件下沿野生型肌动蛋白丝的离子电流[24]。发现细丝结构模型的不规则形状产生了口袋或热点，其中电流密度见图6。 数值数据下载菜单。达到了比邻居更高或更低的幅度，在整个灯丝表面上形成区域。它还揭示了一个定义明确的非对称双电层的形成，其厚度大于通常用于对称模型的厚度。新版本的应用程序将考虑一个不均匀的（双螺旋）灯丝表面电荷密度模型，明确的离子在电解质中，和时间依赖性的计算占外部耗散和阻尼力。Santiago Manrique-Bedoya和Marcelo Marucho软件X 20（2022）1012596竞合利益作者声明以下经济利益/个人关系可能被视为潜在的竞争利益：Marcelo Marucho报告说，美国国立卫生研究院提供了经济支持数据可用性我们在手稿的“代码元数据”部分包含了代码的链接。致谢这项工作得到了美国国立卫生研究院资助号1 SC 1GM 127187 -04的支持。引用[1] Leggio Maria Giuseppa，Mandolesi Laura，Federico弗朗西丝卡，Spir-ItoFrancesca，RicciBenedetta，GelfoFrancesca，etal.Environmentalenrichment promotes improved spatial abilities and enhanceddendriticgrowthin the rat. 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