Design, analysis and optimization of biochemical and genetic regulation routes using stochastic models

Resumo

Un dos desafíos da bioloxía de sistemas e sintética é mellorar a previsibilidade dos modelos matemáticos de procesos intracelulares que ocorren en presencia de grandes cantidades de ruido molecular. A proposta do modelo de Ecuacións en Derivadas Parciales Integro-Diferenciais (PIDE) para redes de regulación xenética foi un paso importante para abordar este desafío, dado que permite simular as dinámicas das redes de regulación xenética estocásticas de forma eficiente, achanando o camiño para futuros desenvolvementos na dirección do deseño automático e estimación de parámetros en biosistemas. O obxectivo principal desta tese é proveer métodos efectivos para estimación de parámetros e deseño automático de biosistemas no contexto do ruido molecular, para avanzar tanto na identificación de modelos como deseño de biocircuitos para aplicacions en bioloxía de sistemas e sintética. Para completar este obxectivo xeral, abordaronse tres problemas específicos. Primeiro, algoritmos dispoñibles para a simulación estocástica de redes de reaccions bioquímicas, incluindo o recente modelo PIDE para a simulación de redes de regulación xenéticas estocásticas, foi mellorado e paralelizado para GPUs para acelerar os cálculos. Segundo, o problema de estimación de parámetros en redes biomoleculares estocásticas foi formulado e resolto mediante a combinación destes métodos de simulación mellorados con implementacions eficientes de algoritmos de optimización. Terceiro, o problema de deseño automático de circuitos xenéticos estocásticos foi formulado como un problema de Programación Non Lineal Enteira Mixta e resolto con algoritmos axeitados. Para ilustrar os métodos, demostraronse certas probas de concepto relevantes para a bioloxía sintética e de sistemas.