Modelling Cell Cycle using Different Levels of Representation

Understanding the behaviour of biological systems requires a complex setting of in vitro and in vivo experiments, which attracts high costs in terms of time and resources. The use of mathematical models allows researchers to perform computerised simulations of biological systems, which are called in silico experiments, to attain important insights and predictions about the system behaviour with a considerably lower cost. Computer visualisation is an important part of this approach, since it provides a realistic representation of the system behaviour. We define a formal methodology to model biological systems using different levels of representation: a purely formal representation, which we call molecular level, models the biochemical dynamics of the system; visualisation-oriented representations, which we call visual levels, provide views of the biological system at a higher level of organisation and are equipped with the necessary spatial information to generate the appropriate visualisation. We choose Spatial CLS, a formal language belonging to the class of Calculi of Looping Sequences, as the formalism for modelling all representation levels. We illustrate our approach using the budding yeast cell cycle as a case study

Orchestrator selection process for cloud-native machine learning experimentation

Dissertação de mestrado integrado em Informatics EngineeringMachine learning (ML) model development is a very experimental, repetitive, and error prone task, because ML is itself very obscure - there is no way to know what model works best for our goals beforehand, so practitioners have an incentive to experiment with as many models, approaches and techniques as they can. Additionally, going from raw data to a well adjusted model is a delicate process that often requires complex, multi-step pipelines. Combine the two factors and it becomes apparent how easy it is to get lost within a sea of artifacts and results without a well defined process, hindering the development process with poor reusability, lots of technical debt, and integration-hell. This makes adherence to best practices - MLOps - paramount. However, with the recent boom experienced in this field came a plethora of different tools and services, all trying to satisfy different subsets of needs of the model life cycle, meaning that, more often than not, ML practitioners do not know what the best set of tools for their use case might be. The experimental nature of ML means we should indeed try different tools, but there is a high risk that it might not fit the necessary requirements, generating needless costs. One particularly relevant type of tool is the orchestrator - a central piece of the experimentation process which controls the communication and execution of the components of a model pipeline. This work follows the creation process for an enterprise ML cloud environment, with particular focus on the selection of an adequate orchestrator for cloud-native setups. Additionally, it presents MetaTool, a web application designed to speed up future tool selection processes by leveraging knowledge gathered during previous instances. Finally, it reaches two key conclusions: first, broader organizational factors that might seem out of scope can influence or even alter the final choice, and second, although using a tool like MetaTool might speed up the decision-making process, it requires significant organizational commitment.O desenvolvimento de modelos de machine learning (ML) é uma atividade muito experimental, repetitiva e propícia a erros, porque ML é muito obscura - não há forma de saber de antemão qual o modelo mais adequado para os nossos objetivos, pelo que os praticantes têm um incentivo para experimentar com o maior número possível de modelos, abordagens e técnicas que conseguirem. Adicionalmente, passar de dados para um modelo bem ajustado é um processo delicado que frequentemente requer pipelines complexas e com vários passos. Combinando os dois fatores fica aparente o quão fácil é ficar perdido num mar de artefactos e resultados sem um processo bem definido, dificultando o processo de desenvolvimento com fraca capacidade de reutilização, muita technical debt, e integration hell. Isto torna a adesão às melhores práticas - MLOps - imperativa. Contudo, com o recente avanço verificado neste domínio veio uma abundância de diferentes ferramentas e serviços, todos tentando satisfazer diferentes subconjuntos de necessidades do ciclo de vida dos modelos, pelo que os praticantes de ML acabam frequentemente na dúvida de qual poderá ser o melhor conjunto de ferramentas para os seus casos de uso. A natureza experimental de ML faz com que se devam experimentar diferentes ferramentas, mas há um grande risco de escolher algo não satisfaça os requisitos necessários, levando a custos desnecessários. Uma categoria de ferramentas particularmente relevantes são os orquestradores - uma peça central no processo de experimentação que controla a comunicação e execução dos componentes da pipeline do modelo. Este trabalho acompanha a criação dum ambiente cloud industrial para ML, com particular foco na escolha do orquestrador adequado para ambientes na nuvem. Adicionalmente, apresenta MetaTool, uma aplicação web pensada para acelerar futuros processos de tomada de decisão empregando conhecimento adquirido durante processos anteriores. Finalmente, alcança duas conclusões chave: primeiro, fatores organizacionais aparentemente irrelevantes podem influenciar ou até alterar a escolha final, e segundo, apesar de ferramentas como MetaTool poderem acelerar o processo de tomada de decisão, requerem um empenho da organização

Effects of surfzone wave transformation on swash dynamics

Swash oscillations on two natural beaches were measured to show that the shape and magnitude of energy spectra can be largely dependent on processes occurring inside the surfzone. The observations took place on a steep, intermediate beach on the east coast (Tairua Beach), and a low-sloping, dissipative beach located on the west coast of New Zealand (Ngarunui Beach, Raglan), and aimed at improving the understanding of the effects of wave breaking, beach slope, and nonlinear wave interactions on the swash oscillations. These problems were addressed by analysing datasets obtained from field experiments undertaken at these two sites. A field experiment at Tairua Beach showed that swash oscillations were critically dependent on the stage of the tide which controlled the degree of wave energy dissipation over the sandbar crest. Under mild, near-constant offshore wave conditions, the presence of a sandbar and the tidally-controlled water depth over its crest determined whether most of the incoming waves broke before reaching the shoreline. This forced a change in the pattern of wave energy dissipation across the surfzone between low and high tide, which was reflected by changes to swash elevation (runup) on time-scales of a few hours. Significant runup height Rs, defined as 4 times the standard deviation of the waterline time series, varied by a factor of 2 between low tide, when most of the waves were breaking over the sandbar and high tide, when the waves were barely breaking. The increase in wave energy dissipation during low tide was associated with changes in swash maxima distribution, decrease in mean swash period and increasing energy at infragravity frequencies (0.004–0.05 Hz). Bispectral analysis suggested this infragravity modulation might be connected with the presence of secondary waves at the shoreline. Swash oscillations at Tairua were not homogeneous along the beach. Alongshore variability in Rs of up to 78% was observed and was mainly driven by changes in the sea-swell (0.05–0.4 Hz) band of the swash. This variability was predominantly controlled by alongshore changes in beach face slope, although alongshore patterning in wave breaking over the sandbar caused alongshore changes in wave dissipation and also resulted in alongshore swash variation in the sea-swell bandwidth. At infragravity frequencies, alongshore swash variability was not well associated either with changes in beach slope or wave breaking and was possibly linked to the presence of low-mode edge waves, observed from frequency-wavenumber spectra of the swash time series. A final experiment was conducted to understand the surfzone control on incident and infragravity runup on a gently-sloping beach. The observations showed that runup saturation at infragravity frequencies can occur under mild offshore energy conditions if the beach slope is sufficiently gentle. Infragravity saturation was observed for higher-frequency (> 0.025–0.035 Hz) infragravity waves, where typically less than 5% of the (linear) energy flux was reflected from the beach and where, similar to the sea-swell band, the swash energy was independent of offshore wave energy. The infragravity frequency range of saturation was determined by the tide, with saturation extending to lower frequencies at low tide when the local beach face slope over the concave-shaped profile was gentler. Runup was strongly dominated by infragravity frequencies, which accounted on average for 96% of the runup variance, and its energy levels were entirely consistent with strong infragravity wave dissipation observed in the surfzone, particularly when including the nonlinear contributions to the wave energy fluxes. Our observations show evidence of nonlinear interactions involving infragravity and high-frequency, harmonic waves, and suggest that these harmonics could play a role in the wave energy balance near the shoreline on low-sloping, dissipative beaches

Plasmodium berghei liver infection inhibition by host immune response to Trypanosoma brucei

Tese de mestrado em Biologia Humana e Ambiente, apresentada à Universidade de Lisboa, através da Faculdade de Ciências, em 2018A malária e a doença do sono são infeções tropicais cujas distribuições geográficas se sobrepõem em várias regiões do continente africano, em particular na África sub-Sahariana. Ambas estas doenças são causadas por parasitas com ciclos de vida complexos, envolvendo vários hospedeiros. A malária é causada por parasitas do género Plasmodium que infetam hospedeiros mamíferos através da picada de um mosquito fêmea Anopheles infetado. Este injeta parasitas Plasmodium na forma de esporozoítos, os quais invadem a corrente sanguínea e migram para o fígado, onde infetam e se desenvolvem dentro de hepatócitos, originando formas exoeritrocitárias (EEFs). Apesar de assintomática, esta fase é obrigatória e culmina na libertação de merozoítos para a corrente sanguínea, os quais infetam eritrócitos, originando os sintomas da doença. A doença do sono, ou Tripanossomíase Humana Africana, é causada pelo parasita Trypanosoma brucei, o qual é transmitido a um hospedeiro mamífero pela picada de uma mosca do género Glossina. Uma vez na corrente sanguínea, estes parasitas dividem-se e invadem outros órgãos, nomeadamente o tecido adiposo, que atua como um reservatório, e no cérebro, levando à disrupção do padrão sono-vigília, a maior característica desta doença. Tendo em conta as regiões endémicas para malária e doença do sono, existem populações infetadas simultaneamente por ambos os parasitas, existindo já alguns relatórios que apontam para esta condição. Uma vez que existe uma notória escassez de conhecimento relativamente ao impacto de uma possível coinfecção entre estes parasitas no hospedeiro, é imperativa a realização de uma análise cuidada de possíveis efeitos resultantes da coinfecção entre Plasmodium e Trypanosoma. Com o intuito de responder a esta necessidade, o laboratório de acolhimento realizou alguns estudos experimentais onde ratinhos foram submetidos a coinfecções entre Plasmodium e Trypanosoma. Os resultados mostraram que uma infeção primária por T. brucei conduz a uma inibição de cerca de 90% de uma infeção hepática subsequente por P. berghei. Experiências complementares revelaram que esta inibição é replicada pela injeção de lisados de T. brucei antes da infeção por P. berghei. Adicionalmente, experiências realizadas pelo laboratório indicam que é possível que a inibição da infeção hepática de P. berghei causada por T. brucei seja mediada pelo sistema imunitário do hospedeiro, tendo impacto tanto a nível do impedimento da invasão de hepatócitos pelos esporozoítos, bem como a nível da eliminação de EEFs durante a infeção. Como tal, esta dissertação pretende caracterizar o impacto da resposta imunitária a T. brucei que tem como consequência a inibição da infeção hepática de P. berghei. Modelos in vitro providenciam oportunidades para estudar respostas celulares específicas num sistema fechado, onde as condições experimentais podem ser cuidadosamente controladas, sem existirem problemas éticos associados ao uso de modelos animais. Assim, a tentativa de estabelecimento de um sistema in vitro que fosse capaz de replicar o fenótipo observado em infeções de modelos animais foi o foco da nossa pesquisa. Para tal, combinámos esplenócitos e soro de ratinhos infetados com T. brucei, com um sistema in vitro previamente estabelecido. No nosso sistema, não nos foi possível observar diferenças na infeção hepática de P. berghei que fossem passíveis de serem atribuídas à combinação de componentes expostas a T. brucei, nomeadamente esplenócitos e soro de ratinhos infetados com T. brucei. De forma a tentar reproduzir mais fidedignamente o ambiente imunitário presente num hospedeiro, os nossos esforços foram alocados para a implementação de um sistema in vitro pioneiro baseado em cultura de seções de fígados de ratinho. A perda de viabilidade das seções revelou-se uma barreira intransponível com as metodologias disponíveis, o que se provou determinante na mudança do foco para a compreensão dos mecanismos de envolvimento do sistema imunitário do hospedeiro na coinfecção através da utilização de modelos murinos. Experiências anteriores realizadas pelo laboratório de acolhimento mostraram que em modelos murinos incapazes de produzir células T e células B, existe uma recuperação de uma normal infeção hepática de P. berghei às 6 horas após injeção de esporozoítos, em ratinhos coinfetados com T. brucei e P. berghei. De forma a tentar compreender o mecanismo imunitário responsável pela inibição da invasão hepática por P. berghei num hospedeiro previamente infetado com T. brucei, foram realizadas diversas experiências onde modelos animais incapazes de produzir diferentes tipos de células imunitárias foram utilizados. Os nossos resultados mostraram que a ausência de vários subtipos de células T não leva a uma recuperação de uma normal invasão de hepatócitos por parte dos esporozoítos de P. berghei. Também a ausência de células B não mostrou ter efeito no contexto de coinfecção, levando-nos a analisar o envolvimento de fatores imunitários no contexto da coinfecção. O interferão-γ (IFN-γ) destacou-se devido à sua estudada ação na eliminação de parasitas Trypanosoma e Plasmodium e, como tal, modelos murinos incapazes de produzir esta citocina foram empregues. Nesta experiência, foi possível observar uma recuperação total de uma infeção normal de P. berghei às 6 horas após injeção de esporozoítos em ratinhos coinfetados incapazes de produzir IFN-γ. Assim, concluímos que este fator é determinante no impedimento da invasão hepática por P. berghei, em hospedeiros infetados previamente com T. brucei. Nesta dissertação, tentámos também avaliar a duração da proteção conferida pelos lisados de T. brucei, quando injetados antes de uma infeção com P. berghei. Para tal, lisados de Trypanosoma foram injetados a diferentes pontos no tempo antes da injeção de esporozoítos. Os dados obtidos revelaram que o efeito dos lisados de T. brucei é dependente do tempo de injeção dos lisados, sendo a proteção superior quando o tempo de injeção dos lisados é mais próximo do momento de infeção com P. berghei. De modo a esclarecer as causas da redução na infeção de P. berghei resultante da injeção de lisados de T. brucei, foi efetuada uma análise por microscopia de fluorescência que revelou um decréscimo no número de hepatócitos infetados. Porém, os parasitas que evadem esta eliminação inicial apresentam um crescimento semelhante ao dos parasitas em ratinhos infetados somente com Plasmodium. Dada a dependência temporal do efeito dos lisados, e atendendo ao papel importante das citocinas já descrito no contexto de ambas as infeções, procedemos à análise dos perfis de citocinas nos soros de ratinhos infetados somente com Plasmodium, coinfetados e injetados com lisados anteriormente a uma infeção com P. berghei. Nos grupos de ratinhos coinfetados, onde a inibição da infeção hepática de P. berghei está presente, era notória uma sobre expressão de MCP-1, MIP-1α e IL-6, sugerindo o seu possível envolvimento. Uma vez que tanto MCP-1, como MIP-1α são citocinas quimiotáticas para macrófagos e monócitos, o envolvimento destes tipos de células imunitárias na modulação da infeção hepática de P. berghei num hospedeiro infetado por T. brucei foi avaliado. Primeiramente, realizámos uma depleção de macrófagos em ratinhos infetados somente com P. berghei e coinfetados com primeiramente com T. brucei e, 5 dias depois, com P. berghei. Contudo, não nos foi possível observar uma recuperação de uma infeção normal de P. berghei no grupo coinfetados, o que indica que estas células não medeiam esta interação ou que existem mecanismos compensatórios em ação. Assim sendo, e visto que MCP-1 e MIP-1α são citocinas quimiotáticas para monócitos, foi realizada uma nova experiência onde foi bloqueado o recrutamento de monócitos em ratinhos infetados somente com P. berghei e coinfetados. Interessantemente, também nestes ratinhos, não se observou uma infeção hepática de P. berghei normal, pelo que concluímos que estas células também não estão envolvidas na interação após o bloqueio do recrutamento de monócitos. Concluindo, esta dissertação demonstra que o sistema imunitário do hospedeiro é um importante mediador da inibição de uma infeção hepática de Plasmodium, num hospedeiro previamente infetado com Trypanosoma, mais concretamente através da intervenção de citocinas que possivelmente mobilizam células imunitárias que eliminam esporozoítos e EEFs ao longo da infeção de Plasmodium, deixando margem para posterior investigação dos mecanismos subjacentes.Malaria and sleeping sickness are diseases that share overlapping spacial distributions in sub-Saharan Africa. Malaria is caused by Plasmodium parasites, while sleeping sickness is caused by Trypanosoma brucei parasites. Previous results from the host lab using a coinfection mouse model have shown that P. berghei hepatic infection is significantly inhibited by an ongoing T. brucei infection, an effect that is phenocopied by the injection of T. brucei lysates prior to inoculation of P. berghei sporozoites. Additional research suggested that the host’s immune system mediates this impairment through an elimination of P. berghei sporozoites before their invasion of the hepatocytes and through an elimination of exoerythrocytic forms (EEFs) during an ongoing P. berghei infection. In this thesis, we aimed at investigating the involvement of immune responses on the mechanisms by which T. brucei is able to impair a subsequent P. berghei hepatic infection. We showed that Interferon-γ (IFN-γ) deficient coinfected mice display a P. berghei hepatic infection at 6 hours post-sporozoite injection similar to that of IFN-γ-deficient mice infected solely with P. berghei, indicating that IFN-γ is an essential immune factor in the impairment of host hepatocyte invasion by P. berghei sporozoites in mice with an ongoing T. brucei infection. Nevertheless, the immune cells involved in the T. brucei-mediated impairment of P. berghei hepatocyte invasion remain to be elucidated. Since the immune system appeared to be involved in the impairment of P. berghei liver infection by T. brucei, we sought to understand if when T. brucei lysates are injected, a peak in immune response occurred, which would be followed by its continuous decrease, corresponding to the clearance of T. brucei molecules. Our work revealed that the protection conferred by T. brucei lysates is lost when the latter are injected 24 to 48 hours prior to sporozoite injection. Similarly to what was previously observed in the context of the coinfection, immunofluorescence microscopy analysis revealed that T. brucei lysates lead to the elimination of P. berghei parasites before reaching the liver or during the course of the liver stage of infection, without affecting their development. Considering that IFN-γ had been shown to play a role in P. berghei liver infection impairment in the context of coinfection, we sought to understand if cytokine profiles could be involved in the differential inhibitory effect of T. brucei lysates when injected at different timepoints. We determined the cytokine profiles at several timepoints of P. berghei infection in the serum from mice singly infected with P. berghei, coinfected mice, or mice injected with T. brucei lysates at several timepoints prior to P. berghei infection. Interestingly, we observed a correlation between monocyte chemoattractant protein-1 (MCP-1), macrophage inflammatory protein-1-alpha (MIP-1α) and interleukin-6 (IL-6) and the extent of P. berghei liver infection inhibition by T. brucei. Contrary to what we expected, even though MCP-1 and MIP-1α are chemotactic for macrophages and monocytes, depletion of macrophages and blockage of monocyte recruitment did not abrogate the impairment of P. berghei liver infection in coinfected mice. Collectively, our results elucidate aspects of the biology of infection by Trypanosoma and Plasmodium parasites and unveil a potential role for IFN-γ in the elimination of P. berghei sporozoites prior to the invasion of hepatocytes. Furthermore, this work shows the possible involvement of cytokines in the impairment of P. berghei hepatic infection by T. brucei, revealing potential cytokine and chemokine mediators in the elimination of P. berghei EEFs