软件影响8（2021）100072原始软件出版物细胞骨架细丝表征的Java应用程序（JACFC）马塞洛·马鲁乔美国德克萨斯大学圣安东尼奥分校物理与天文系，邮编：78249自动清洁装置保留字：细胞骨架丝神经元信息处理单个神经元A B标准JACFC是一个Java Web应用程序（http://neuronanobiophysics.utsa.edu/），它为该领域的专家和非专家提供了合适的工具，用于阐明在不同分子（野生型，同种型，突变体）和环境（生理和病理）条件下调节微管和肌动蛋白丝的电信号传播，稳定性和束形成的分子机制。这一认识可能揭示细胞骨架细丝在神经元活动中的潜在作用，包括分子水平的信息处理和神经再生。对生物纳米线的聚电解质性质的分子理解对于开发具有生物技术应用（例如生物纳米传感器和计算生物纳米处理器）的可靠性、高功能小型装置也是至关重要的。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/SoftwareImpacts/SIMPAC-2021-22可复制胶囊法律代码许可证通用公共许可证使用的代码版本控制系统无软件代码语言，工具和服务使用JAVA Swing，Fortran，Webswing，Jmol，pdb2pqr，Propka，Provol，3v。编译要求、操作环境依赖性如果可用，链接到开发人员文档/手册http://neuronanobiophysics.utsa.edu/技术支持电子邮件：csdfts. gmail.com1. 介绍肌动蛋白丝（F-actin）和微管（MT）是分别由G-肌动蛋白和微管蛋白亚基聚合形成的高这些细胞骨架丝对于真核细胞过程中的各种生物学活动是必不可少的，如定向生长、形状、分裂、可塑性和迁移[1，2]。它们能够克服排斥静电相互作用，形成更高阶的结构（束和网络）。根据现有的实验数据，细胞骨架细丝也可以优先沿着F-肌动蛋白和微管的表面运输离子[3]。这种新的直接通道可能对离子通道、树突、轴突、终末和胞体中的许多电过程具有根本的重要性[4]。这些细丝形成更高级结构并增强其电导率的基础似乎主要或完全由其生物化学和生物物理（biophysical，EEP）性质支配。然而，支持MT和F-肌动蛋白的生物学功能的基本原理仍然知之甚少电 子 邮 件 地 址 ： marcelo. utsa.edu 。https://doi.org/10.1016/j.simpa.2021.100072由于缺乏适当的方法。传统的计算工具和方法由于受到近似值和计算成本的限制而无法用于细胞骨架细丝。目前对细胞骨架细丝的非线性性质与生物环境之间的复杂相互作用的理解主要基于平均场理论，如非线性他们不考虑水拥挤，离子大小不对称，或静电离子扩散效应。只有当考虑到所有这些特征时，才能对这些长丝的导电和成束形成特性进行定量描述。更准确的方法，例如，全原子分子动力学和蒙特卡罗模拟涉及极高的计算成本和并行计算资源。因此，它们不能用于探索大量的分子结构（野生型、突变体、同种型）和细胞内环境。此外，开发用于表征水溶液中生物分子的科学软件通常需要专门的接收日期：2021年3月10日;接收日期：2021年3月31日;接受日期：2021年4月2日2665-9638/©2021作者。由Elsevier B. V.发布，这是CC BY-NC-ND许可证下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表软件影响杂志 首页：www.journals.elsevier.com/software-impactsM. 丸町软件影响8（2021）1000722Fig. 1. JACFC模块选项（第一个屏幕）。计算生物学方面的培训和专业知识，昂贵的商业许可证，以及使用集群或超级计算机，这通常是许多研究人员，实验人员，甚至缺乏这些要求的学生的障碍[6]。因此，重要的是不仅开发更准确和有效的方法，而且开发软件包的易于访问的友好实现，该软件包为专家和非专家提供可视化的指南（图形用户界面）以无限制地执行这些计算。2. JACFCJACFC是一个基于细胞骨架细丝创新多尺度方法的Java Web应用程序。该软件允许用户使用各种模型和方法来阐明在不同分子（野生型、同种型、突变体）和环境（生理和病理）条件下调节微管和肌动蛋白丝的电信号传播、稳定性和它能够解释细丝分子结构的原子细节，它的生物环境，以及它对这些现象的影响。电信号传播公式包括来自G-肌动蛋白的双电层的扩散部分的离子电导率和电容的非平凡贡献。JACFC在非线性非均匀传输线原型模型中利用这种单体特性来解释沿灯丝长度的而计算稳定性和束形成的方法是基于溶剂化经典密度泛函理论，该理论不仅考虑了静电相互作用，还考虑了熵和多体相互作用[8]。该特征对于鉴定和表征支配生物分子在各种电解质条件下的稳定性和聚集的主要相互作用和分子机制特别有用。作为一个独特的功能，用户可以在JACFC网络服务器上执行这些计算，JACFC不需要在计算和理论生物学方面的专门培训和专业知识，这通常是许多研究人员，实验人员，甚至缺乏这些要求的学生的障碍。通过简单地将鼠标指针放在相应的文本或空白框上，用户可以在每个屏幕中找到有关如何填写输入数据。用户还可以使用关键输入参数的默认值和预先选择的算法来加快输入数据的但是，它们可以随时轻松更改。此外，JACFC在运行应用程序之前测试所有输入数据，以避免软件的错误使用，并防止无意义的结果。在计算结束时，JACFC生成所选输出文件的二维图，以提供沿F-肌动蛋白行进的离子波（孤子）的电脉冲形状、衰减和核传播速度的图形可视化。最后，所有输出数据文件都将正确保存并组织在用户指定的文件夹中，以供分析后使用。JACFC网站包括教程视频，用户指南，讨论论坛和示例，以说明其使用和适用性。2.1. 设计与实现JACFC网络应用程序提供两个模块：1-电信号传播，2-稳定性和聚合（见图1）。①的人。在第一个屏幕上，选择研究检查部分位于窗口的中心底部。要选择电信号传播模块，用户有两个选项：肌动蛋白丝和微管。前一个选项仅在此JACFC版本中可用。要选择稳定性和聚集模块，用户有两个选项：稀释浓度（单丝表征）和高浓度（束和网络形成）。在此JACFC版本中仅提供前一选项。电解质水溶液模型位于选择研究部分的正下方。JACFC提供了两种电解质水溶液理论。NLPB使用隐式溶剂模型，仅考虑电相互作用。CSDFT使用显式溶剂模型，并考虑了电和熵和在第二个屏幕上（图如图2和3所示，电解质部分用于限定离子种类和浓度，以及电解质溶液的溶剂性质、温度和pH水平。如果需要，可以更改默认数值求解器配置。对于电信号传播应用，细胞骨架细丝模型用于定义沿细丝施加的外部输入电压，以及单体表征（G-肌动蛋白）。而对于稳定性和聚合应用程序，本节用于定义M. 丸町软件影响8（2021）1000723图二. 电信号传播模块。图三. 稳定性和聚合模块。无论是分子结构还是表面电荷和细丝半径。最后，使用Run JACFC按钮运行数值模拟。可以使用Download Results（下载结果）按钮将结果以zip文件的形式下载到用户的计算机。模拟结束后，第三个屏幕自动打开，以2D图显示结果。 物流流程图见图。 四、2.2. 出版物和影响JACFC使野生型肌动蛋白丝在电压刺激范围内的电信号传播研究成为和电解质溶液通常存在于细胞内和体外条件下[7]。该方法预测了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。结果显示，输入电压对电脉冲波形、衰减和核传播速度的影响。在体外条件下，纤维能够维持孤子以几乎恒定的核心速度传播，而细胞内条件下显示出显着的减速。此外，孤子更窄，在更高的电压输入下传播得更快。M. 丸町软件影响8（2021）1000724见图4。 物流流程图。作为一项独特功能，JACFC能够解释病理条件下经常出现的分子结构构象（突变）[9，10]和生物环境（质子化/去质子化）变化。最终，这些研究可以阐明分子和细胞的改变是否实质上改变了相互作用的平衡，并在各种疾病状态下触发集束和信号传播的异常。这一认识可能揭示细胞骨架细丝在神经元活动中的潜在作用，包括分子水平的信息处理[11]和神经再生[12，13]。对生物纳米线的生物学特性的分子理解对于开发具有生物技术应用的可靠性、高功能小型设备（如生物纳米传感器和计算生物纳米处理器）也是至关重要的[14竞合利益作者声明，他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系，可能会影响本文报告的工作致谢这项工作得到了美国国立卫生研究院的支持[授权号1 SC 1GM 127187-03] 。 作 者 感 谢 Webswing 公 司 的 Andrej Zelman 对 Web 服 务 器http://neuronanobiophysics.utsa.edu/上JACFC实现的支持。引用[1]P.W.希克莫特，I.M. 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