Rewriting complex biological models in stochastic process algebras: a case study

Mgr. Andrej Tokarčík

Bachelor's thesis

Abstract:

Cieľom bakalárskej práce je zanalyzovať efektivitu aplikácie operačných prístupov na problém modelovania dynamických biologických systémov, v protiklade s bežnými denotačnými technikami využívajúcimi sústavy obyčajných diferenciálnych rovníc. Jazyky tohto prístupu sa vyznačujú modularitou, stručnosťou zápisu a vhodnosťou k formálnej analýze. Uvádzam postup reformulácie konkrétneho modelu fluorescenčného rastu chlorofylu a vo formalizme stochastického π-kalkulu, konkrétne v jeho variante SPiM. Vlastná reprezentácia výsledného modelu je netriviálne zjednodušená, zatiaľčo sú zachované totožné výsledky simulácií. Porovnávam i niektoré ďalšie vlastnosti týchto modelov, vrátane ich biologickej relevantnosti. Táto práca má takisto predstaviť prístupný úvodný materiál, ktorý by mal napomáhať diskusiám na uvedené témy medzi komunitami informatikov a biológov stretávajúcich sa skrz oblasť systémovej biológie. Za týmto účelom je zahrnutých dostatok informácií, aby bola práca zrozumiteľná z oboch uhlov pohľadu.

Abstract:

The thesis objective is to analyse effectiveness of applying operational approaches to the problem of modelling dynamical biological systems, in contrast to conventional denotational techniques utilising systems of ordinary differential equations. The process-based languages are distinguished by modularity, succinctness and predisposition for formal analysis. Reformulation of a concrete model of chlorophyll a fluorescence rise within the formalism of the stochastic π-calculus, namely its SPiM variant, is followed. The resulting model is nontrivially simplified with regards to its actual representation while retaining identical simulation results. Several other properties of the models, including biological relevance, are compared and discussed. Furthermore, this work aims to provide an accessible entry point facilitating discussions on related matters between the communities of computer scientists and biologists, who both meet in the field of systems biology. To this end, all necessary information are included so that the paper is comprehensible from both points of view.

Keywords

systems biology, photosynthesis, process algebras, stochastic π-calculus, SPiM, model equivalence, systémová biológia, fotosyntéza, algebra procesov, stochastický π-kalkul, ekvivalencia modelov

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 22. 5. 2012

Thesis defence

• Date of defence: 21. 6. 2012
• Supervisor: RNDr. David Šafránek, Ph.D.
• Reader: Ing. Matej Lexa, Ph.D.

Masaryk University

Faculty of Informatics

Bachelor programme / field:
Applied Informatics / Applied Informatics