Μέθοδοι βιοπληροφορικής και μοντέλα υπολογιστικής βιολογίας

Abstract

Η παρούσα διατριβή αφορά την ανάπτυξη μεθοδολογίας για τη δημιουργία μοντέλων βασισμένων σε οντολογίες, με σκοπό τη δομημένη αναπαράσταση της βιολογικής γνώσης και την κατηγοριοποίηση αυτής ως ένα σύνολο εννοιών, σχέσεων και ιδιοτήτων. Στόχος του προτεινόμενου μοντέλου είναι η αυτοματοποιημένη παροχή διάγνωσης κυρίως για ασθένειες των οποίων η κλινική αντιμετώπισή τους είναι συμπτωματική. Ως μελέτη περίπτωσης, το προτεινόμενο μοντέλο εφαρμόστηκε για την αυτοματοποιημένη διάγνωση και αποτελεσματική διαχείριση της νόσου του Πάρκινσον, η οποία αποτελεί τη δεύτερη σε συχνότητα νευροεκφυλιστική νόσο του νευρικού συστήματος. Η αναπαράσταση και επεξεργασία των βιολογικών δεδομένων πραγματοποιήθηκε με τη χρήση οντολογιών και υλοποιήθηκε με τη βοήθεια του υπολογιστικού εργαλείου Protégé.Τα τρία ερευνητικά βιολογικά προβλήματα που προέκυψαν κατά τη διαδικασία ανάπτυξης του μοντέλου αφορούν γονιδιακές αλληλεπιδράσεις. Συγκεκριμένα, στην πρώτη μελέτη περίπτωσης παρουσιάζεται ένα νέο μοντέλο αναπαράστασης των κλειστών δευτεροταγών δομών RNA ως ένα σύνολο επίπεδων μεταθέσεων. Ο προτεινόμενος αλγόριθμος, οποίος δημιουργεί μεταθέσεις των μορίων RNA με την ελάχιστη δυνατή εναλλαγή των θέσεων, μειώνει την υπολογιστική πολυπλοκότητα του προβλήματος σε O(n) και εφαρμόζεται σε ένα από τα μεγαλύτερα προβλήματα της σύγχρονης Βιοπληροφορικής, που αφορά την πρόβλεψη της τρισδιάστατης δομής των μορίων RNA. Στη συνέχεια παρουσιάζονται 2 νέοι στοχαστικοί αλγόριθμοι βασιζόμενοι στην άλγεβρα διεργασιών BioAmbients για τη σύνθεση και ενεργοποίηση των πρωτεϊνών. Στην πρώτη περίπτωση το προτεινόμενο μοντέλο αναπαριστά τις διεργασίες που λαμβάνουν χώρα κατά την αλληλεπίδραση του μορίου TLC1 RNA και της πρωτεΐνης Ku (RNA- Protein Interaction Problem). Στη δεύτερη περίπτωση, ο προτεινόμενος αλγόριθμος στοχεύει στη μοντελοποίηση της λειτουργίας των μιτοχονδριακών λειτουργιών, και συγκεκριμένα αφορά τη λειτουργία της συνένωσης δύο μιτοχονδρίων (mitochondrial fusion). Για το λόγο αυτό μοντελοποιήθηκε η αλληλεπίδραση μεταξύ των πρωτεϊνών Mfn1 και Mfn2 που βρίσκονται στην εξωτερική μιτοχονδριακή μεμβράνη και της πρωτεΐνης OPA1 που βρίσκεται στην εσωτερική μιτοχονδριακή μεμβράνη (Protein - Protein Interaction Problem).Τέλος, αναφορικά με τη νόσο Parkinson, προτάθηκε ένα νέο μοντέλο για τη μοντελοποίηση των νευρωνικών κυκλωμάτων των βασικών γαγγλίων του εγκεφάλου. Το προτεινόμενο μοντέλο, βασιζόμενο στα ερευνητικά αποτελέσματα του φαινομένου «Paradoxical Kinesia» αναπαριστά τη λειτουργία των βασικών γαγγλίων ως τέσσερα διακριτά κυκλώματα, μέσω ενός υβριδικού πολυστρωματικού νευρωνικού δικτύου (hybrid Multilayer Perceptron (MLP)).