Desarrollo de una herramienta de software libre para el modelado de la expresión génica de poblaciones celulares

Abstract

Los procesos biológico sal interior de las células, tales como la expresión génica, son el resultado de una serie de interacciones entre diferentes tipos de moléculas y reacciones que toman lugar dentro de un determinado sistema biológico. Dichos procesos pueden ser aproximados de forma práctica a través del uso de ecuaciones diferenciales. Sin embargo, en la experimentación, el producto de un proceso de expresión génica puede variar a lo largo de una población de células homogéneas. Dicha población puede ser estudiada in silico mediante la estimación de los parámetros que caracterizan su comportamiento. Los métodos computacionales por los cuales se simula y se modela la expresión de una población son tareas que requieren de un gran conocimiento tanto a nivel biológico como de los algoritmos utilizados para su aproximación. Por lo tanto, el objetivo de este trabajo es proponer una herramienta para el modelado de la expresión génica de poblaciones celulares. En primer lugar, se recopilaron los aspectos fundamentales tenidos en cuenta por el paradigma de la biología de sistemas, para plantear una metodología de diseño de la herramienta e implementar algunos algoritmos que permitan obtener una introducción en el área. En este trabajo, se desarrolla una interfaz de usuario mediante la cual las personas interesadas en aprender sobre sistemas biológicos en poblaciones celulares puedan comprender conceptos básicos sobre la definición del sistema, su simulación a partir de diferentes fuentes de variabilidad y su posterior modelado para estimar los parámetros que las caracterizan. La herramienta se implementa en software de uso libre, de tal manera que sea posible acceder a ella de forma abierta. Así, permitiendo una potencial modificación, mejora, o uso de los algoritmos que integran la herramienta. Por último, se evalúa la usabilidad de la herramienta mediante la elaboración de la documentación de su uso y la creación de una experiencia educativa dirigida a estudiantes de Ingeniería Biomédica, en la cual se presenta todo el proceso de modelado de una población celular a través de un caso de estudio

Biological processes inside cells, such as gene expression, are the outcome of a series of interactions between different kinds of molecules and reactions that take place in a biological system. These processes can be approximated in a practical way usingdifferential equations. However, in experimentation, the product of a gene expression process might be different throughout a homogeneous cell population. In silico, such a population can be studied through the estimation of the parameters that characterize its behavior.Computational methods used to simulate and model the expression of a population are tasks that require having a good knowledge of both at abiological level and algorithms for their approximation. Therefore, the aim of this work is to propose a tool for modeling the gene expression of cell populations. First, fundamental aspects of the biological system paradigm are gathered to present a tool design methodology and implement some algorithms that allow to introduce beginners to the field. Inthis work, a user interface is developed so it could help others interested in biological systems in cell populations to obtain insights about basic topics on biological systems definition, simulatingfrom several variability sources and subsequent modelling to estimate parameters.Freely usable software is used for the tool implementation;thus, it is possible to get open access to it and potentially modify, enhance,or use the implemented algorithms.Lastly, tool usability is assessed through the creation of user documentation and a learning experience aimed at students ofBiomedical Engineering.The latter presents the general process of modelling a cell population describing a case study