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Simulación "in silico" de fenómenos celulares de interese biotecnolóxico e biomédico

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Simulación "in silico" de fenómenos celulares de interese biotecnolóxico e biomédico

Pérez Rodríguez, Gael
 
DATE : 2019-03-25
UNIVERSAL IDENTIFIER : http://hdl.handle.net/11093/1219
UNESCO SUBJECT : 1203.17 Informática ; 1203.11 Logicales de Ordenadores ; 1203.26 Simulación
DOCUMENT TYPE : doctoralThesis

ABSTRACT :

Due to the lack of sufficient understanding about cellular mechanisms, results of in vitro experiments often differ considerably from those observed in vivo (Pfaffelhuber and Popovic, 2015). Possible explanations include mechanism-specific uncertainty, unknown and non-specific interactions, and molecular crowding. Cells and biomolecular systems are also subject to noise, which is often masked in vitro in ensemble experiments and difficult to In silico simulation offers a valid alternative of analysis since it can be implemented and adjusted more easily. As such, the assembly of cellular models has the obvious potential to elucidate structure and auto-organisation between molecules as well as complex molecular interplay that are difficult to observe in vivo or in vitro. The major challenges in building such molecular scale models are to bridge spatial and temporal scales over many orders of magnitude, and to manage the significant computational costs associated to higher levels of modelling detail. The present work aims to develop new resources and computational tools for the ... [+]
Due to the lack of sufficient understanding about cellular mechanisms, results of in vitro experiments often differ considerably from those observed in vivo (Pfaffelhuber and Popovic, 2015). Possible explanations include mechanism-specific uncertainty, unknown and non-specific interactions, and molecular crowding. Cells and biomolecular systems are also subject to noise, which is often masked in vitro in ensemble experiments and difficult to In silico simulation offers a valid alternative of analysis since it can be implemented and adjusted more easily. As such, the assembly of cellular models has the obvious potential to elucidate structure and auto-organisation between molecules as well as complex molecular interplay that are difficult to observe in vivo or in vitro. The major challenges in building such molecular scale models are to bridge spatial and temporal scales over many orders of magnitude, and to manage the significant computational costs associated to higher levels of modelling detail. The present work aims to develop new resources and computational tools for the modelling and simulation of cellular processes with high detail. Namely, interest is set on the diffusional motion of individual biomolecules and intermolecular interactions in continuous three-dimensional cellular environments that represent meaningful biological scenarios. Therefore, this work entails the followings tasks: (1) the development and integration of algorithms describing basic biophysical and biochemical phenomena, such as diffusion and enzymatic kinetics; (2) the implementation of high computing approaches capable of ensuring computationally sustainable large-scale model simulation; and, (3) the design of simulation interfaces suited for end-users (e.g. biologists and physicians). Among the main contributions of this work are cellular models and simulation tools with application in areas of Biotechnology and Biomedicine. [-]
 
Debido á falta de coñecemento suficiente sobre os mecanismos celulares, os resultados dos experimentos in vitro a miúdo difiren considerablemente dos observados in vivo (Pfaffelhuber e Popovic, 2015). As posibles explicacións inclúen o mecanismo específico de incerteza, as interaccións descoñecidas e non específicas, e o amoreamento molecular. As células e os sistemas biomoleculares tamén están suxeitos a ruído, que a miúdo é enmascarado in vitro nos experimentos de conxunto e difíciles de incorporar nos modelos tradicionais de fenómenos biolóxicos. Ademais, na actualidade, ningunha técnica permite a observación simultánea dunha ampla gama de moléculas (McGuffee e Elcock, 2010). A simulación in silico ofrece unha alternativa válida de análise, xa que pode ser implementada e axustada máis doadamente. Como tal, a montaxe de modelos celulares ten o potencial obvio para elucidar a estrutura e a auto-organización entre as moléculas, así como a complexa interacción molecular, que son difíciles de observar in vivo ou in vitro. Os principais desafíos na construción deste tipo de modelos ... [+]
Debido á falta de coñecemento suficiente sobre os mecanismos celulares, os resultados dos experimentos in vitro a miúdo difiren considerablemente dos observados in vivo (Pfaffelhuber e Popovic, 2015). As posibles explicacións inclúen o mecanismo específico de incerteza, as interaccións descoñecidas e non específicas, e o amoreamento molecular. As células e os sistemas biomoleculares tamén están suxeitos a ruído, que a miúdo é enmascarado in vitro nos experimentos de conxunto e difíciles de incorporar nos modelos tradicionais de fenómenos biolóxicos. Ademais, na actualidade, ningunha técnica permite a observación simultánea dunha ampla gama de moléculas (McGuffee e Elcock, 2010). A simulación in silico ofrece unha alternativa válida de análise, xa que pode ser implementada e axustada máis doadamente. Como tal, a montaxe de modelos celulares ten o potencial obvio para elucidar a estrutura e a auto-organización entre as moléculas, así como a complexa interacción molecular, que son difíciles de observar in vivo ou in vitro. Os principais desafíos na construción deste tipo de modelos a escala molecular son o manexo de escalas espaciais e temporais de distintas ordes de magnitude e a xestión dos elevados custos computacionais asociados a niveis de modelado de maior detalle. O presente traballo ten como obxectivo desenvolver novos recursos e ferramentas computacionais para o modelado e simulación de procesos celulares a moi fina escala. Interesa poder simular o movemento de difusión das biomoléculas de xeito individual e as interaccións entre moléculas en ámbitos celulares tridimensionais que representen casos biolóxicos de interese real. Neste sentido, as tarefas máis relevantes deste traballo son: (1) o desenvolvemento e a integración dos algoritmos que describen fenómenos biofísicos e bioquímicos básicos, como a difusión molecular e a cinética enzimática; (2) o desenvolvemento de estratexias computacionais de alta prestación capaces de asegurar a simulación de modelos a grande escala; e, (3) o deseño de interfaces de simulación axeitados para os usuarios finais (por exemplo, os biólogos e médicos). Entre as principais contribucións deste traballo están modelos celulares e ferramentas de simulación con aplicación en áreas da Biotecnoloxía e a Biomedicina. [-]
 
Debido a la falta de conocimiento suficiente sobre los mecanismos celulares, los resultados de los experimentos in vitro a menudo difieren considerablemente de los observados in vivo (Pfaffelhuber y Popovic, 2015). Las posibles explicaciones incluyen el mecanismo específico de incertidumbre, las interacciones desconocidas y no específicas y el hacinamiento molecular. Las células y los sistemas biomoleculares también están sujetos a ruido, que a menudo es enmascarado in vitro en los experimentos de conjunto y difíciles de incorporar en los modelos tradicionales de fenómenos biológicos. Los principales desafíos en la construcción de este tipo de modelos a escala molecular son el manejo de escalas espaciales y temporales de distintos órdenes de magnitud, y la gestión de los elevados costes computacionales asociados a niveles de modelado de mayor detalle. El presente trabajo tiene como objetivo desarrollar nuevos recursos y herramientas computacionales para el modelado y simulación de procesos celulares a muy fina escala. Interesa poder simular el movimiento de difusión de las ... [+]
Debido a la falta de conocimiento suficiente sobre los mecanismos celulares, los resultados de los experimentos in vitro a menudo difieren considerablemente de los observados in vivo (Pfaffelhuber y Popovic, 2015). Las posibles explicaciones incluyen el mecanismo específico de incertidumbre, las interacciones desconocidas y no específicas y el hacinamiento molecular. Las células y los sistemas biomoleculares también están sujetos a ruido, que a menudo es enmascarado in vitro en los experimentos de conjunto y difíciles de incorporar en los modelos tradicionales de fenómenos biológicos. Los principales desafíos en la construcción de este tipo de modelos a escala molecular son el manejo de escalas espaciales y temporales de distintos órdenes de magnitud, y la gestión de los elevados costes computacionales asociados a niveles de modelado de mayor detalle. El presente trabajo tiene como objetivo desarrollar nuevos recursos y herramientas computacionales para el modelado y simulación de procesos celulares a muy fina escala. Interesa poder simular el movimiento de difusión de las biomoléculas individualmente y las interacciones entre moléculas en entornos celulares tridimensionales que representen casos biológicos de interés real. En este sentido, las tareas más relevantes de este trabajo son: (1) el desarrollo y la integración de los algoritmos que describen fenómenos biofísicos y bioquímicos básicos, como la difusión molecular y la cinética enzimática; (2) el desarrollo de estrategias computacionales de alta prestación capaces de asegurar la simulación de modelos a gran escala; y, (3) el diseño de interfaces de simulación adecuados para los usuarios finales (por ejemplo, los biólogos y médicos). Entre las principales contribuciones de este trabajo están modelos celulares y herramientas de simulación con aplicación en áreas de la Biotecnología y la Biomedicina. [-]

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