Mathematical Analysis and Modeling of Signaling Networks

Mathematical models are in focus of modern systems biology and increasingly important to understand and manipulate complex biological systems. At the same time, new and improved techniques in metabolomics and proteomics enhance the ability to measure cellular states and molecular concentrations. In consequence, this leads to important biological insights and novel potential drug targets. Model development in systems biology can be described as an iterative process of model refinement to match the observed properties. The resulting research cycle is based on a well-defined initial model and requires careful model revision in each step. {As an initial step, a stoichiometry-based mathematical model of the muscarinic acetylcholine receptor subtype 2 (M2 receptor)-induced signaling in Chinese hamster ovary (CHO) cells was derived. To validate the obtained initial model based on spatially accessible, not neces-sarily time-resolved data, the novel constrained flux sampling (CFS) is proposed in this work. The thus verified static model was then translated into a dynamical system based on ordinary differential equations (ODEs) by incorporating time-dependent experimental data. To learn from the errors of systems biological models, the dynamic elastic-net (DEN), a novel approach based on optimal control theory, is proposed in this thesis. Next, the Bayesian dy-namic elastic-net (BDEN), a systematic, fully algorithmic method based on the Markov chain Monte Carlo method was derived, which allows to detect hidden influences as well as missed reactions in ODE-based models. The BDEN allows for further validation of the developed M2 receptor-induced signaling pathway and thus provides evidence for the completeness of the obtained dynamical system. This thesis introduces the first comprehensive model of the M2 receptor-induced signaling in CHO cells. Furthermore, this work presents several novel algorithms to validate and correct static and dynamic models of biological systems in a semi-automatic manner. These novel algorithms are expected to simplify the development of further mathematical models in systems biology.Mathematische Modellierung und Analyse von Signalnetzwerken Mathematische Modelle stehen im Zentrum der modernen Systembiologie und werden immer wichtiger, um komplexe biologische Systeme verstehen und manipulieren zu können. Gleichzeitig erweitern neue und verbesserte Verfahren der Metabolomik und Proteomik die Möglichkeiten, Zellzustände und Molekülkonzentrationen zu bestimmen. Dies ermöglicht die Gewinnung neuer und wichtiger biologischer Erkenntnisse und die Identifizierung neuer potentieller Ansatzpunkte für medizinische Wirkstoffe. Die Modellentwicklung in der Systembiologie kann als ein iterativer Prozess der permanenten Modellverbesserung beschrieben werden, der das Ziel hat, die beobachteten Eigenschaften korrekt wiederzugeben. Der resultierende Modellierungskreislauf basiert auf einem klar bestimmten Anfangsmodell und erfordert das sorgfältige Anpassen des Modells in jedem einzelnen Modellierungsschritt. In einem ersten Schritt wurde ein auf stöchiometrischen Daten basierendes mathematisches Modell für die durch den muskarinischen Acetylcholinrezeptor des Subtyps 2 (M2-Rezeptor) induzierte Signalübertragung in CHO-Zellen aufgestellt. Zur Validierung des ursprünglichen Modells auf der Grundlage von räumlich erfassbaren, nicht notwendigerweise zeitaufgelösten Daten wird in dieser Arbeit das neu entwickelte Constrained Flux Sampling (CFS) vorgestellt. Das auf diese Weise verifizierte statische Modell wurde dann unter Einbeziehung zeitabhängiger experimenteller Messdaten in ein dynamisches Modell basierend auf gewöhnlichen Differentialgleichungen (DGL) umgewandelt. Um aus den mathematischen Unsicherheiten systembiologischer Modelle zu lernen, wird in dieser Arbeit das Dynamic Elastic-Net (DEN) eingeführt, ein neuer Ansatz basierend auf der Theorie der optimalen Steuerungen. Als nächster Schritt wurde das Bayesian Dynamic Elastic-Net (BDEN) entwickelt, eine systematische, vollständig algorithmische Methode basierend auf dem Markov-Chain-Monte-Carlo-Verfahren, die es erlaubt, sowohl verborgene Einflussfaktoren als auch übersehene Reaktionen in DGL-basierten Modellen aufzuspüren. Das BDEN ermöglicht die weitere Validierung des durch den M2-Rezeptor induzierten Signalwegs und liefert so den Beweis für die Vollständigkeit des modellierten dynamischen Systems. In dieser Arbeit wird das erste vollständige Modell für den durch den M2-Rezeptor induzierten Signalweg in CHO-Zellen eingeführt. Des Weiteren werden in dieser Arbeit verschiedene neue Algorithmen zur halbautomatischen Validierung und Korrektur statischer und dynamischer Modelle biologischer Systeme vorgestellt. Es wird erwartet, dass diese neuen Algorithmen die Entwicklung weiterer mathematischer Modelle in der Systembiologie stark vereinfachen

Proceedings of the 10th International Chemical and Biological Engineering Conference - CHEMPOR 2008

This volume contains full papers presented at the 10th International Chemical and Biological Engineering Conference - CHEMPOR 2008, held in Braga, Portugal, between September 4th and 6th, 2008.FC

XLIII Jornadas de Automática: libro de actas: 7, 8 y 9 de septiembre de 2022, Logroño (La Rioja)

[Resumen] Las Jornadas de Automática (JA) son el evento más importante del Comité Español de Automática (CEA), entidad científico-técnica con más de cincuenta años de vida y destinada a la difusión e implantación de la Automática en la sociedad. Este año se celebra la cuadragésima tercera edición de las JA, que constituyen el punto de encuentro de la comunidad de Automática de nuestro país. La presente edición permitirá dar visibilidad a los nuevos retos y resultados del ámbito, y su uso en un gran número de aplicaciones, entre otras, las energías renovables, la bioingeniería o la robótica asistencial. Además de la componente científica, que se ve reflejada en este libro de actas, las JA son un punto de encuentro de las diferentes generaciones de profesores, investigadores y profesionales, incluyendo la componente social que es de vital importancia. Esta edición 2022 de las JA se celebra en Logroño, capital de La Rioja, región mundialmente conocida por la calidad de sus vinos de Denominación de Origen y que ha asumido el desafío de poder ganar competitividad a través de la transformación verde y digital. Pero también por ser la cuna del castellano e impulsar el Valle de la Lengua con la ayuda de las nuevas tecnologías, entre ellas la Automática Inteligente. Los organizadores de estas JA, pertenecientes al Área de Ingeniería de Sistemas y Automática del Departamento de Ingeniería Eléctrica de la Universidad de La Rioja (UR), constituyen un pilar fundamental en el apoyo a la región para el estudio, implementación y difusión de estos retos. Esta edición, la primera en formato íntegramente presencial después de la pandemia de la covid-19, cuenta con más de 200 asistentes y se celebra a caballo entre el Edificio Politécnico de la Escuela Técnica Superior de Ingeniería Industrial y el Monasterio de Yuso situado en San Millán de la Cogolla, dos marcos excepcionales para la realización de las JA. Como parte del programa científico, dos sesiones plenarias harán hincapié, respectivamente, sobre soluciones de control para afrontar los nuevos retos energéticos, y sobre la calidad de los datos para una inteligencia artificial (IA) imparcial y confiable. También, dos mesas redondas debatirán aplicaciones de la IA y la implantación de la tecnología digital en la actividad profesional. Adicionalmente, destacaremos dos clases magistrales alineadas con tecnología de última generación que serán impartidas por profesionales de la empresa. Las JA también van a albergar dos competiciones: CEABOT, con robots humanoides, y el Concurso de Ingeniería de Control, enfocado a UAVs. A todas estas actividades hay que añadir las reuniones de los grupos temáticos de CEA, las exhibiciones de pósteres con las comunicaciones presentadas a las JA y los expositores de las empresas. Por último, durante el evento se va a proceder a la entrega del “Premio Nacional de Automática” (edición 2022) y del “Premio CEA al Talento Femenino en Automática”, patrocinado por el Gobierno de La Rioja (en su primera edición), además de diversos galardones enmarcados dentro de las actividades de los grupos temáticos de CEA. Las actas de las XLIII Jornadas de Automática están formadas por un total de 143 comunicaciones, organizadas en torno a los nueve Grupos Temáticos y a las dos Líneas Estratégicas de CEA. Los trabajos seleccionados han sido sometidos a un proceso de revisión por pares

Study on open science: The general state of the play in Open Science principles and practices at European life sciences institutes

Nowadays, open science is a hot topic on all levels and also is one of the priorities of the European Research Area. Components that are commonly associated with open science are open access, open data, open methodology, open source, open peer review, open science policies and citizen science. Open science may a great potential to connect and influence the practices of researchers, funding institutions and the public. In this paper, we evaluate the level of openness based on public surveys at four European life sciences institute