Modelagem e análise de sistemas de transporte de íons em membranas celulares usando verificação de modelos

dc.creatorMirlaine Aparecida Crepalde
dc.date.accessioned2019-08-14T00:27:14Z
dc.date.accessioned2025-09-08T23:15:59Z
dc.date.available2019-08-14T00:27:14Z
dc.date.issued2011-07-27
dc.description.abstractRecently there has been a growing interest in the application of Probabilistic Model Checking (PMC) for the formal specification and analysis of biological systems. PMC is able to exhaustively explore all states of a stochastic model and can provide valuable insight into its behavior which are more difficult to see using only traditional methods for system analysis such as deterministic and stochastic simulation. In this work we propose the use of PMC for the modeling and analysis of cell membrane systems that are capable of moving ions across cell membranes and are crucial for the living cells. We present a quantitative formal specification of sodium-potassium exchange pump (Na,K-ATPase), which is an important transport system present in all animal cells and responsible for keeping the potassium and sodium concentrations inside the cell, respectively, high and low. We describe how the pump mechanism can be modeled using PMC, taking into consideration different modeling methodologies in order to deal with the state space explosion problem, inherent in model checking, regardless of context. Furthermore, we present some important properties about the pump reversibility that can be addressed directly with model checking, whereas with other traditional approaches they cannot be easily covered. Aditionally, we reason about the pump behavior in terms of trend labels for the pump reactions that compute if there is a greater probability that the system takes specific transitions. These trends allow us to identify the bottlenecks that are responsible for the slow operation of the Na,K-ATPase or even for its interruption over time. The work also introduces an approach to detect noisy periodic behavior in stochastic systems using a statistical probabilistic model checking. The proposed approach is applied to the intracellular calcium oscillations, which is membrane system commonly observed in a large number of cell types in response to stimulation by an extracellular agonist. Finally a modeling methodology to deal with the coexistences of species with huge differences in their concentrations is also introduced. Although the results are still preliminary, they indicate gains in scalability of memory resources using the proposed methodology.
dc.identifier.urihttps://hdl.handle.net/1843/SLSS-8KDQ99
dc.languageInglês
dc.publisherUniversidade Federal de Minas Gerais
dc.rightsAcesso Aberto
dc.subjectComputaçã
dc.subjectBioinformática
dc.subjectSoftware Verificação
dc.subjectMétodos estatísticos
dc.subjectRedes biológicas
dc.subject.othercanais iônicos
dc.subject.otherverificação de modelos
dc.subject.otherbiologia de sistemas
dc.subject.othersistemas de membrana celular
dc.titleModelagem e análise de sistemas de transporte de íons em membranas celulares usando verificação de modelos
dc.typeDissertação de mestrado
local.contributor.advisor-co1Alessandra Conceicao Faria Aguiar Campos
local.contributor.advisor1Rodrigo Richard Gomes
local.contributor.referee1Jader dos Santos Cruz
local.description.resumoRecentemente há um interesse crescente na aplicação da Verificação Probabilística de Modelos (PMC) na especificação formal e análise de sistemas biológicos. PMC é uma técnica que permite uma exploração exaustiva do conjunto de estados de um sistema estocástico e pode fornecer visões valiosas do seu comportamento que são mais difíceis de se obter usando somente abordagens tradicionais de análise de sistemas, como as simulações estocástica e determinística. Neste trabalho, propõe-se o uso de PMC para modelar e analisar sistemas em membranas celulares responsáveis pelo transporte de íons e cruciais para a vida das células. Uma especificação formal e quantitativa da bomba de sódio e potássio (Na,K-ATPase) é inicialmente apresentada. Essa bomba é um importante sistema de transporte de íons presente em todas células animais e responsável por manter as concentrações dos íons de sódio e potássio dentro da célula, respectivamente, alta e baixa. O trabalho descreve como modelar o mecanismo da bomba usando PMC, considerando diferentes técnicas de modelagem com o objetivo de lidar com o problema da explosão de estados, inerente da técnica de verificação de modelos, independente do contexto. Importantes propriedades relacionadas à reversibilidade da bomba são verificadas usando PMC. Adicionalmente, o comportamento da bomba é investigado em termos de tendências de reações que computam se existe uma probabilidade superior de certas reações ocorrerem. Essas tendências permitem identificar os gargalos que levam ao lento funcionamento ou mesmo à interrupção da bomba com o passar do tempo.O trabalho também introduz uma abordagem para detectar comportamento periódico com ruídos em sistemas estocásticos usando uma técnica de verificação de modelos estatística. A abordagem proposta é aplicada para um sistema de oscilação intracelular de cálcio, comumentemente encontrado em um grande número de tipos celulares em resposta à estímulos de componentes químicos extracelulares. Finalmente, uma metodologia para lidar com a coexistência de espécies com grandes diferenças em suas concentrações é também introduzida. Os resultados são ainda preliminares, mas indicam os ganhos em escalabilidade de recursos de memória com a abordagem proposta.
local.publisher.initialsUFMG

Arquivos

Pacote original

Agora exibindo 1 - 1 de 1
Carregando...
Imagem de Miniatura
Nome:
mirlaineaparecidacrepaldi.pdf
Tamanho:
2.39 MB
Formato:
Adobe Portable Document Format