Control of Parametrised Boolean Networks

Mgr. Eva Šmijáková

Advanced ('rigorózní') thesis

Abstract:

Reprogramovenie buniek je v súčastnosti veľmi atraktívnou výzvou pre regeneratívnu medicínu. Avšak identifikovanie transkripčných faktorov, ktoré by umožnili reprogramovanie bunky je veľmi náročné iba za pomoci experimentovania in vitro. Preto narastá záujem o formálne metódy systémovej biológie, ktoré by umožnili identifikáciu transkripčných faktorov in silico. Populárnym modelom, ktorý dokáže zachytiť mnohé biochemické bunečné interakcie, sú Booleovské siete. Bohužiaľ, kvôli nedostatku biologických dát sa často stáva, že nie je možné presne špecifikovať tento model. Tento problém sa dá riešiť rozšírením tohto modelu na parametrizované Booleovské siete. Takýto model totižto umožňuje vynechať presnú špecifikáciu aktualizujúcich funkcií. Riadenie Booleovských sietí sa v praxi osvedčilo ako úspešný nástroj pre riešenie reprogramovania buniek. Avšak riadenie parametrizovaných Booleovských sietí doposiaľ nezískalo mnoho pozornosti a tak zatiaľ neboli vyvinuté príslušné formálne definície alebo efektívne metódy na riešenie tohto problému. Preto je cieľom tejto práce definovať a vyriešiť problém kontrolovania parametrizovaných Booleovských sietí. Riešenie tohto problému by malo byť primárne aplikovateľné pre reprogramovanie buniek aj v prípadoch, keď nie je k dispozícii dostatok dát na to, aby bolo možné presne zadefinovať Booleovskú sieť.

Abstract:

Cell reprogramming is currently a very attractive challenge of regenerative medicine. However, it can be complicated to identify the correct transcription factors by running in vitro experiments. That is why identifying these factors in silico using formal methods of systems biology is increasingly popular. A popular model, to capture numerous cellular biochemical interactions, is a Boolean network. Nonetheless, there is often not enough data to precisely specify this model. These issues can be dealt with to some extent using a parametrised Boolean network, as this model allows to leave some update functions unspecified. A control of Boolean networks was already demonstrated to be a successful tool to aid the cell reprogramming. Nonetheless, the control problem in the parametrised setting did not receive much attention yet -- proper formal definitions and efficient methods are still to be developed. Therefore, this thesis aims to define and solve the control problem for parametrised Boolean networks. Solving this problem should be primarily applicable for the cell reprogramming even when there is insufficient data to precisely define a Boolean network model.

Keywords

Boolean network, control, reprogramming, attractor

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 9. 3. 2021

Thesis defence

• Date of defence: 10. 6. 2021
• Reader: RNDr. Nikola Beneš, Ph.D., Mgr. Ing. Karel Sedlář, Ph.D.

Masaryk University

Faculty of Informatics

Advanced ('rigorózní řízení') programme / field:
Artificial intelligence and data processing / Artificial intelligence and data processing