MP Representations of Biological Structures and Dynamics

Il tema principale di questa tesi di dottorato riguarda la soluzione di problemi di dinamica inversa nel campo dei P sistemi metabolici (sistemi MP). I sistemi MP, basati sui P sistemi classici di Paun, sono stati introdotti da Manca nel 2004 per permettere la modellazione di sistemi metabolici per mezzo di grammatiche di riscrittura su multi-insiemi. In questo tipo di grammatiche, le trasformazioni di multi-insiemi di oggetti sono regolate, in modo deterministico, da particulari funzioni di stato chiamate regolatori. Il risultato chiave presentato in questa tesi riguarda la definizione di un algoritmo di regressione, chiamato LGSS (Log-gain Stoichiometric Stepwise regression), il quale implementa un ambiente di lavoro completo per affrontare problemi di dinamica inversa con sistemi MP. In particolare, LGSS è in grado di definire nuovi modelli MP, partendo dalle serie temporali di una dinamica osservata, combinando ed estendendo il principio di log-gain, sviluppato nella teoria dei sistemi MP, con il metodo classico di regressione stepwise, il quale è basato sull'uso di approssimazioni ai minimi quadrati e di test F. Nella parte finale della tesi, sono inoltre presentate tre applicazioni dei sistemi MP nella scoperta della logica di regolazione in fenomeni importanti nel campo della systems biology. Nonostante le evidenti differenze riscontrabili tra i fenomeni considerati, i quali spaziano da metabolismi a reti di regolazione genica, in tutti i casi affrontati è stato possibile definire modelli che esibiscono una buona approssimazione delle serie temporali osservate e che evidenziano fenomeni regolativi totalmente nuovi o che erano stati solamente teorizzati in precedenza.