Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/10773/29829
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dc.contributor.advisorMartins, Manuel António Gonçalvespt_PT
dc.contributor.advisorBarbosa, Luís Soarespt_PT
dc.contributor.authorFigueiredo, Daniel Oliveirapt_PT
dc.date.accessioned2020-11-18T14:42:42Z-
dc.date.available2020-11-18T14:42:42Z-
dc.date.issued2020-02-
dc.identifier.urihttp://hdl.handle.net/10773/29829-
dc.description.abstractThe study and development of tools for computational systems is an area where we can easily find diverse works and, nowadays, it is one of the dominant topics when we think about the research on computer science. As consequence, the field of computation has access to a solid theoretical basis, as well as to a wide collection of algorithms and tools (such as model checkers). The focus of this thesis is to look at a biological system under a computational perspective, where cells and gens replace the role of transistors as the fundamental elements of a computational system. Indeed, the notion of computation is often compared to the functioning of a brain in an animal. Taking into account this point of view, the goal of this work is to revisit basic concepts present on the study of intracelular dynamics, which are fundamentally the same for all living organisms, under a computer science perpective. Thus, we intend to understand how we can apply concepts, algorithms and computational tools, which are used the field of Computer Science, to the mentioned biological systems. In particular, we start by describing some kinds of models used to model the intracellular dynamics of living organisms – Piecewise linear models and Boolean networks. Hence, we propose a new perspective over Piecewise linear model, considering these models as reconfigurable. This allows one to use computational tools like KeYmaera and dReach to reason about these models. Afterward, discretizing this kind of model but maintaining the notion of reconfigurability, we obtain the concept of reactive Boolean network, based on the switch graph formalism, and propose a logical language to express and formally check properties of these systems along with a notion of bisimulation. In what relates to Boolean networks, we provide a new point of view over the notion of “terminal”, by relating it to the notion of bisimulation, which is widely known in the area of Computater Science. Then, we focus in the asymptotic graph method and, after a fundamental study, we propose a generalized and intermediate method that is less efficient in a computational perspective but more suitable to the intended context. Finally, we consider a new kind of stochastic model which is obtaining embeding weights in edges of switch graphs. We also develop an extension of PRISM model checker – rPrism – to ease the study of this specific class of stochastic models.pt_PT
dc.description.abstractO estudo e desenvolvimento de ferramentas para sistemas computacionais é uma área onde facilmente podemos encontrar vários trabalhos, sendo hoje em dia um dos tópicos dominantes na investigação em Ciências da Computação, permitindo, a esta área, o acesso a uma vasta base teórica, além de diversos algoritmos e ferramentas tais como model checkers. Esta tese centra-se na ideia de que um sistema biológico pode ser visto, em certa forma, como um sistema computacional, onde células e genes substituem o papel dos transístors. De facto, a noção de computação é, muitas vezes, associada ao funcionamento do cérebro de seres vivos. Tendo em conta este ponto de vista, o objetivo deste trabalho é revisitar alguns conceitos básicos no estudo de dinâmicas intracelulares, comuns a todos os seres vivos, de um ponto de vista computacional, de forma a averiguar como podemos aplicar a estes sistemas os conceitos, algoritmos e ferramentas computacionais usadas na área da Informática. Em particular, começamos por revisitar vários tipos de modelos usados para descrever a dinâmica intracelular de seres vivos – modelos lineares por partes e redes Booleanas. De seguida, propomos uma nova perspetiva sobre os modelos lineares por partes, considerando estes modelos como reconfiguráveis. Isto permite-nos o uso de ferramentas computacionais como o KeYmaera e dReach. Por outro lado, discretizando este modelos mas mantendo a noção de reconfigurabilidade, obtemos a noção de rede Booleana reactiva, baseada no formalismo de switch graphs, e propomos uma linguagem lógica para expressar e verificar propriedades destes sistemas bem como uma noção de bissimulação. No que diz respeito a modelos Booleanos, apresentamos uma nova visão sobre a noção de “terminal” (ou atrator) de forma a relacioná-lo com a noção de bisimulação, muito usada em computação. De seguida, focamos a atenção no método de obtenção do gráfico assintótico e, após um estudo profundo, propomos um método intermédio que, apesar de menos eficiente a nível computacional, se mostra mais adequado ao contexto. Finalmente, consideramos um novo tipo de modelo estocástico ao incorporar pesos na arestas dos switch graphs e desenvolvemos uma extensão do PRISM model checker – rPrism – para estudar esta classe específica de modelos.pt_PT
dc.language.isoengpt_PT
dc.relationPD/BD/114186/2016pt_PT
dc.relationPOCI-01-0145-FEDER-030947pt_PT
dc.rightsopenAccesspt_PT
dc.rights.urihttps://creativecommons.org/licenses/by/4.0/pt_PT
dc.subjectBiological regulatory networkspt_PT
dc.subjectPiecewise linear modelspt_PT
dc.subjectReactive Boolean networkspt_PT
dc.subjectExtended asymptotic graphpt_PT
dc.subjectBisimulationpt_PT
dc.subjectReconfigurabilitypt_PT
dc.subjectReactivitypt_PT
dc.subjectrPrismpt_PT
dc.subjectWeighted switch graphspt_PT
dc.titleLogical foundations and computational tools for synthetic biologypt_PT
dc.title.alternativeFundações lógicas e ferramentas computacionais para a biologia sintéticapt_PT
dc.typedoctoralThesispt_PT
thesis.degree.grantorUniversidade de Aveiropt_PT
dc.identifier.tid101586736-
dc.description.doctoralPrograma Doutoral em Matemática Aplicadapt_PT
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DMat - Teses de doutoramento

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