Development and application of computational methodologies in qualitative modeling

La présente thèse s'intitule "Développent et Application des Méthodologies Computationnelles pour la Modélisation Qualitative". Elle comprend tous les différents projets que j'ai entrepris en tant que doctorante. Plutôt qu'une mise en oeuvre systématique d'un cadre défini a priori, cette thèse devrait être considérée comme une exploration des méthodes qui peuvent nous aider à déduire le plan de processus regulatoires et de signalisation. Cette exploration a été mue par des questions biologiques concrètes, plutôt que par des investigations théoriques. Bien que tous les projets aient inclus des systèmes divergents (réseaux régulateurs de gènes du cycle cellulaire, réseaux de signalisation de cellules pulmonaires) ainsi que des organismes (levure à fission, levure bourgeonnante, rat, humain), nos objectifs étaient complémentaires et cohérents. Le projet principal de la thèse est la modélisation du réseau de l'initiation de septation (SIN) du S.pombe. La cytokinèse dans la levure à fission est contrôlée par le SIN, un réseau signalant de protéines kinases qui utilise le corps à pôle-fuseau comme échafaudage. Afin de décrire le comportement qualitatif du système et prédire des comportements mutants inconnus, nous avons décidé d'adopter l'approche de la modélisation booléenne. Dans cette thèse, nous présentons la construction d'un modèle booléen étendu du SIN, comprenant la plupart des composantes et des régulateurs du SIN en tant que noeuds individuels et testable expérimentalement. Ce modèle utilise des niveaux d'activité du CDK comme noeuds de contrôle pour la simulation d'évènements du SIN à différents stades du cycle cellulaire. Ce modèle a été optimisé en utilisant des expériences d'un seul "knock-out" avec des effets phénotypiques connus comme set d'entraînement. Il a permis de prédire correctement un set d'évaluation de "knock-out" doubles. De plus, le modèle a fait des prédictions in silico qui ont été validées in vivo, permettant d'obtenir de nouvelles idées de la régulation et l'organisation hiérarchique du SIN. Un autre projet concernant le cycle cellulaire qui fait partie de cette thèse a été la construction d'un modèle qualitatif et minimal de la réciprocité des cyclines dans la S.cerevisiae. Les protéines Clb dans la levure bourgeonnante présentent une activation et une dégradation caractéristique et séquentielle durant le cycle cellulaire, qu'on appelle communément les vagues des Clbs. Cet évènement est coordonné avec la courbe d'activation inverse du Sic1, qui a un rôle inhibitoire dans le système. Pour l'identification des modèles qualitatifs minimaux qui peuvent expliquer ce phénomène, nous avons sélectionné des expériences bien définies et construit tous les modèles minimaux possibles qui, une fois simulés, reproduisent les résultats attendus. Les modèles ont été filtrés en utilisant des simulations ODE qualitatives et standardisées; seules celles qui reproduisaient le phénotype des vagues ont été gardées. L'ensemble des modèles minimaux peut être utilisé pour suggérer des relations regulatoires entre les molécules participant qui peuvent ensuite être testées expérimentalement. Enfin, durant mon doctorat, j'ai participé au SBV Improver Challenge. Le but était de déduire des réseaux spécifiques à des espèces (humain et rat) en utilisant des données de phosphoprotéines, d'expressions des gènes et des cytokines, ainsi qu'un réseau de référence, qui était mis à disposition comme donnée préalable. Notre solution pour ce concours a pris la troisième place. L'approche utilisée est expliquée en détail dans le dernier chapitre de la thèse. -- The present dissertation is entitled "Development and Application of Computational Methodologies in Qualitative Modeling". It encompasses the diverse projects that were undertaken during my time as a PhD student. Instead of a systematic implementation of a framework defined a priori, this thesis should be considered as an exploration of the methods that can help us infer the blueprint of regulatory and signaling processes. This exploration was driven by concrete biological questions, rather than theoretical investigation. Even though the projects involved divergent systems (gene regulatory networks of cell cycle, signaling networks in lung cells), as well as organisms (fission yeast, budding yeast, rat, human), our goals were complementary and coherent. The main project of the thesis is the modeling of the Septation Initiation Network (SIN) in S.pombe. Cytokinesis in fission yeast is controlled by the SIN, a protein kinase signaling network that uses the spindle pole body as scaffold. In order to describe the qualitative behavior of the system and predict unknown mutant behaviors we decided to adopt a Boolean modeling approach. In this thesis, we report the construction of an extended, Boolean model of the SIN, comprising most SIN components and regulators as individual, experimentally testable nodes. The model uses CDK activity levels as control nodes for the simulation of SIN related events in different stages of the cell cycle. The model was optimized using single knock-out experiments of known phenotypic effect as a training set, and was able to correctly predict a double knock-out test set. Moreover, the model has made in silico predictions that have been validated in vivo, providing new insights into the regulation and hierarchical organization of the SIN. Another cell cycle related project that is part of this thesis was to create a qualitative, minimal model of cyclin interplay in S.cerevisiae. CLB proteins in budding yeast present a characteristic, sequential activation and decay during the cell cycle, commonly referred to as Clb waves. This event is coordinated with the inverse activation curve of Sic1, which has an inhibitory role in the system. To generate minimal qualitative models that can explain this phenomenon, we selected well-defined experiments and constructed all possible minimal models that, when simulated, reproduce the expected results. The models were filtered using standardized qualitative ODE simulations; only the ones reproducing the wave-like phenotype were kept. The set of minimal models can be used to suggest regulatory relations among the participating molecules, which will subsequently be tested experimentally. Finally, during my PhD I participated in the SBV Improver Challenge. The goal was to infer species-specific (human and rat) networks, using phosphoprotein, gene expression and cytokine data and a reference network provided as prior knowledge. Our solution to the challenge was selected as in the final chapter of the thesis.

Observations on Software Project Deviations

Software projects have proved to be troublesome to be implemented and as the size of software keeps increasing it is more and more important to follow-up the projects. The proportion of succeeded software projects is still quite low in spite of the research and the development of the project control methodologies. The success and failure factors of projects are known, as well as the project risks but nevertheless the projects still have problems with keeping the schedule and the budget and achieving the defined functionality and adequate quality. The purpose of this thesis was to find out what deviations are there in projects at the moment, what causes them, and what is measured in projects. Also project deviation was defined in the viewpoint of literature and field experts. The analysis was made using a qualitative research approach. It was found out that there are still deviations in software projects with schedule, budget, quality, requirements, documenting, effort, and resources. In addition also changes in requirements were identified. It was also found out that for example schedule deviations can be affected by reducing the size of a task and adding measurements.

Evaluation of the Development of Metacognitive Knowledge Supported by the KnowCat System

The aim of this study was to examine the development of the metacognitive knowledge of a group of higher education students who participated actively in an experiment based on a Computer Supported Collaborative Learning environment called KnowCat. Eighteen university students participated in a 12-month learning project during which the KnowCat learning environment was used to support scaffolding process among equals during problem-solving tasks. After using KnowCat, the students were interviewed over their work in this shared workspace. Qualitative analysis revealed that the educational application of KnowCat can favour and improve the development of metacognitive knowledge.

Consensus recommendations on training and competing in the heat.

Exercising in the heat induces thermoregulatory and other physiological strain that can lead to impairments in endurance exercise capacity. The purpose of this consensus statement is to provide up-to-date recommendations to optimize performance during sporting activities undertaken in hot ambient conditions. The most important intervention one can adopt to reduce physiological strain and optimize performance is to heat acclimatize. Heat acclimatization should comprise repeated exercise-heat exposures over 1-2 weeks. In addition, athletes should initiate competition and training in a euhydrated state and minimize dehydration during exercise. Following the development of commercial cooling systems (e.g., cooling vest), athletes can implement cooling strategies to facilitate heat loss or increase heat storage capacity before training or competing in the heat. Moreover, event organizers should plan for large shaded areas, along with cooling and rehydration facilities, and schedule events in accordance with minimizing the health risks of athletes, especially in mass participation events and during the first hot days of the year. Following the recent examples of the 2008 Olympics and the 2014 FIFA World Cup, sport governing bodies should consider allowing additional (or longer) recovery periods between and during events for hydration and body cooling opportunities when competitions are held in the heat.

Preface: Forecast and projection in climate scenario of Mediterranean intense events: uncertainties and propagation on environment (the MEDUP project)

The Mediterranean basin is a particularly vulnerable region to climate change, partly due to its quite unique character that results both from physiographic conditions and societal development. The region features indeed a near-closed sea surrounded by very urbanised littorals and mountains from which numerous rivers originate. This results in a lot of interactions and feedbacks between oceanic-atmospheric-hydrological processes that play a predominant role on climate and extreme events that frequently cause heavy dam- ages and human losses in the Mediterranean ...

Integrated Project Portfolio Management as a Tool for Strategic Steering and Business Control

Tutkielman päätavoitteena oli tutkia miten projektisalkun hallinnalla voidaan tukea organisaation strategista ohjausta ja liiketoimintaa. Tämän lisäksi avaintavoitteina oli kuvata projektisalkun hallinnan nykytilanne kohdeyrityksessä, paljastaa erityisiä kehitystarpeita ja lopulta luoda kohdeyrityksen projektisalkunhallinnalle tavoitetila. Kirjallisuuskatsauksessa pohdittiin projektisalkun hallinnan roolia ja tavoitteita, projektisalkun hallinnassa käyttävää prosessia, sekä menetelmiä ja tekniikoita, joilla salkkua hallitaan. Työn empiirisessä osassa syvennyttiin tutkimaan projektinsalkun hallintaan liittyviä erityispiirteitä kohdeyrityksessä. Tutkimustulosten huolellinen analysointi osoitti, että aikaisempi kirjallisuus ei riittävästi huomioi kokonaisvaltaisen, integroidun lähestymistavan tarvetta ja viestinnän tärkeyttä projektisalkun hallinnassa. Tutkimuksen johtopäätöksinä luotiin uusi integroitu projektisalkun hallintamalli ja määriteltiin kohdeyritykselle projektisalkun hallinnan tavoitetila sekä ne kehitysaskeleet, joita yrityksen tulisi lähitulevaisuudessa ottaa.

THE IMPACT OF ARCHITECTURAL DESIGN ON SOFTWARE DEVELOPMENT

Tässä työssä tutkitaan ohjelmistoarkkitehtuurisuunnitteluominaisuuksien vaikutusta erään client-server –arkkitehtuuriin perustuvan mobiilipalvelusovelluksen suunnittelu- ja toteutusaikaan. Kyseinen tutkimus perustuu reaalielämän projektiin, jonka kvalitatiivinen analyysi paljasti arkkitehtuurikompponenttien välisten kytkentöjen merkittävästi vaikuttavan projektin työmäärään. Työn päätavoite oli kvantitatiivisesti tutkia yllä mainitun havainnon oikeellisuus. Tavoitteen saavuttamiseksi suunniteltiin ohjelmistoarkkitehtuurisuunnittelun mittaristo kuvaamaan kyseisen järjestelmän alijärjestelmien arkkitehtuuria ja luotiin kaksi suunniteltua mittaristoa käyttävää, työmäärää (komponentin suunnittelu-, toteutus- ja testausaikojen summa) arvioivaa mallia, joista toinen on lineaarinen ja toinen epälineaarinen. Näiden mallien kertoimet sovitettiin optimoimalla niiden arvot epälineaarista gloobaalioptimointimenetelmää, differentiaalievoluutioalgoritmia, käyttäen, niin että mallien antamat arvot vastasivat parhaiten mitattua työmäärää sekä kaikilla ominaisuuksilla eli attribuuteilla että vain osalla niistä (yksi jätettiin vuorotellen pois). Kun arkkitehtuurikompenttien väliset kytkennät jätettiin malleista pois, mitattujen ja arvoitujen työmäärien välinen ero (ilmaistuna virheenä) kasvoi eräässä tapauksessa 367 % entisestä tarkoittaen sitä, että näin muodostettu malli vastasi toteutusaikoja huonosti annetulla ainestolla. Tämä oli suurin havaitu virhe kaikkien poisjätettyjen ominaisuuksien kesken. Saadun tuloksen perusteella päätettiin, että kyseisen järjestelmän toteutusajat ovat vahvasti riippuvaisia kytkentöjen määrästä, ja näin ollen kytkentöjen määrä oli mitä todennäköisemmin kaikista tärkein työmäärään vaikuttava tekijä tutkitun järjestelmän arkkitehtuurisuunnittelussa.

Comparison of Immunogenicity in Rhesus Macaques of Transmitted-Founder, HIV-1 Group M Consensus, and Trivalent Mosaic Envelope Vaccines Formulated as a DNA Prime, NYVAC, and Envelope Protein Boost.

An effective human immunodeficiency virus type 1 (HIV-1) vaccine must induce protective antibody responses, as well as CD4(+) and CD8(+) T cell responses, that can be effective despite extraordinary diversity of HIV-1. The consensus and mosaic immunogens are complete but artificial proteins, computationally designed to elicit immune responses with improved cross-reactive breadth, to attempt to overcome the challenge of global HIV diversity. In this study, we have compared the immunogenicity of a transmitted-founder (T/F) B clade Env (B.1059), a global group M consensus Env (Con-S), and a global trivalent mosaic Env protein in rhesus macaques. These antigens were delivered using a DNA prime-recombinant NYVAC (rNYVAC) vector and Env protein boost vaccination strategy. While Con-S Env was a single sequence, mosaic immunogens were a set of three Envs optimized to include the most common forms of potential T cell epitopes. Both Con-S and mosaic sequences retained common amino acids encompassed by both antibody and T cell epitopes and were central to globally circulating strains. Mosaics and Con-S Envs expressed as full-length proteins bound well to a number of neutralizing antibodies with discontinuous epitopes. Also, both consensus and mosaic immunogens induced significantly higher gamma interferon (IFN-γ) enzyme-linked immunosorbent spot assay (ELISpot) responses than B.1059 immunogen. Immunization with these proteins, particularly Con-S, also induced significantly higher neutralizing antibodies to viruses than B.1059 Env, primarily to tier 1 viruses. Both Con-S and mosaics stimulated more potent CD8-T cell responses against heterologous Envs than did B.1059. Both antibody and cellular data from this study strengthen the concept of using in silico-designed centralized immunogens for global HIV-1 vaccine development strategies. IMPORTANCE: There is an increasing appreciation for the importance of vaccine-induced anti-Env antibody responses for preventing HIV-1 acquisition. This nonhuman primate study demonstrates that in silico-designed global HIV-1 immunogens, designed for a human clinical trial, are capable of eliciting not only T lymphocyte responses but also potent anti-Env antibody responses.

Information and Material Flows in Project Business

Tavoitteena diplomityössä oli kuvata projektiliiketoimintaa harjoittavan yrityksen informaatio- ja materiaalivirrat toimitusprojekteissa. Selvitys haluttiin tehdä tulevia kehitysprojekteja varten. Diplomityö toteutettiin kahessa osassa: laatimalla aiheeseen liittyvä teoriakatsaus ja kartoittamalla todellinen tilanne yrityksen sisällä.Teoriaosassa kuvattiin tarkastelualue ja projektiliiketoiminnan erityispiirteitä sekä käsiteltiin tietojärjestelmiä ja materiaalivirran hallintaan liittyviä asioita. Yrityksen informaatio- ja materiaalivirtojen nykytila kartoitettiin laatimalla vuokaaviot kolmen esimerkkituotteen toimitusprojekteista. Kaaviot laadittiin yrityksen sisäisten dokumenttien ja kvalitatiivisten haastattelujen pohjalta. Kaavioiden sisältöä täydennettiin taulukoimalla kaavioissa esiintyvien dokumettien sisältöä. Työn tuloksena muodostui kuva tiedonkäsittelyn nykytilasta myynti- ja toimitusprojekteissa, pelkistetty visio tulevaisuuden tietojärjestelmien rooleista sekä ehdotuksia tulevia kehitysprojekteja varten.

Design for Customer Needs: Utilization of Quality Function Deployment in Product Development

Kansainvälisen kaupan kiristyessä yrityksien kyky täyttää asiakasketjunsa lailliset, sosiaaliset ja toiminnalliset asiakastarpeet tulee punnituksi. Globaalisuuden lisääntyessä asiakasketju voi sisältää toimintoja samanaikaisesti yli sadassa maassa. Jotta asiakasketjun tarpeet voidaan sisällyttää tuotteeseen tehokkaasti yhä useammat yritykset ovat siirtyneet käyttämään Quality Function Deployment nimistä projektijohto- ja laatutyökalua. Quality Function Deployment työkalu auttaa yritystä muuntamaan sisäisten ja ulkoisten asiakkaittensa tarpeet, tuotefunktioiksi ja tuotespesifikaatioiksi. Näin tehdessä voidaan uuden tuotteen kehitysaikaa ja hintaa alentaa merkittävästi suunnittelmalla tuote alunalkaen paremmin. QFD:tä on käytetty useissa yrityksissä Aasiassa, Pohjois-Amerikassa ja Euroopassa, sen kehittämisen jälkeen Japanissa 1960 luvulla. Tämä diplomityö antaa teoreettisen ja käytännön kuvauksen siitä miten QFD:tä kannatta käyttää ja mitä sen avulla voidaan saavuttaa vastaten kysymykseen "miten minä, ja yritykseni hyötyy jos käytän QFD:tä".

Implementing evidence-based patient and family education on oral anticoagulation therapy: a community-based participatory project.

AIMS AND OBJECTIVES: This study aimed at developing and implementing evidence-based patient and family education on oral anticoagulation therapy. BACKGROUND: The number of persons with chronic diseases who live at home is increasing. They have to manage multiple diseases and complex treatments. One such treatment is oral anticoagulation therapy, a high risk variable dose medication. Adherence to oral anticoagulation therapy is jeopardised by limited information about the medications, their risk and complications, the impact of individual daily routine and the limited inclusion of family members in education. Hence, improved and tailored education is essential for patients and families to manage oral anticoagulation therapy at home. DESIGN AND METHODS: A community-based participatory research design combined with the Precede-Proceed model was used including a systematic literature review, posteducation analysis, an online nurse survey, a documentation analysis and patient/family interviews. The study was conducted between April 2010-December 2012 at a department of general internal medicine in a teaching hospital in Switzerland. Participants were the department's nursing and medical professionals including the patients and their families. RESULTS: The evidence-based patient and family education on oral anticoagulation therapy emerged comprising a learning assessment, teaching units, clarification of responsibilities of nurse professionals and documentation guidelines. CONCLUSION AND CLINICAL RELEVANCE: The inclusion of the whole department has contributed to the development and implementation of this evidence-based patient family education on oral anticoagulation therapy, which encompasses local characteristics and patient preferences. This education is now being used throughout the department.

Dynamic application development in Symbian OS

Diplomityössä tutkitaan, kuinka Symbian-sovelluskehitystä voitaisiin tehostaa. Työssä esitellään Symbian-käyttöjärjestelmä, sekä pohditaan haasteita ja rajoitteita joita Symbian sovelluskehityksessä kohdataan. Myöskin jo olemassa olevia kehitystapoja pohditaan työn tavoitteen kannalta. Symbian-sovelluskehityksessä tehdään toistuvasti samoja asioita. Koska Symbian on avoin käyttöjärjestelmä, sovelluskehittäjiä on paljon. Tehokkaamman kehitystavan löytäminen säästäisi paljon resursseja. Tällä hetkellä perinteiset ohjelmointitavat näyttävät olevan suosituin tapa kehittää sovelluksia. Kuitenkin on jo olemassa useita ratkaisuja, jotka pyrkivät tehostamaan sovelluskehitystä, mikä todistaa tarpeen kehittää tehokkuutta. Työssä toteutettu systeemi ajaa Symbian sovelluksia XML-määrityksen pohjalta. Kun käytetään XML-määritystä C++-koodin sijasta, sovelluskehitys muuttuu. Näiden muutosten täytyy kuitenkin olla myönteisiä, eivätkä ne saa haitata ohjelmiston laatua tai käytettävyyttä.

Design, implementation and testing of DVB/MHP-application development environment

Tämä diplomityö esittelee 1.6. - 4.11.2002 Mikkelin ammattikorkeakoulun YTI-tutkimuskeskuksen Informaatio- ja mediateknologian hankekokonaisuuden STRIMT-projektin puitteissa tekemäni MHP-kehitysjärjestelmähankinnan tuloksia. Digitaalitelevision MHP-sovelluskehitysjärjestelmän hankinnan tulosten lisäksi työ antaa yleiskuvan MHP-sovelluskehitystyökaluista, digitaalitelevisiostandardeista sekä digitaalitelevisioverkkojen yhteistoimintamalleista televerkkojen kanssa. Keräämieni tietojen, tekemäni tarvemäärittelyn ja suorittamani tuotevertailun perusteella valitsin tarpeisiimme sopivimmaksi järjestelmäksi Alticast Inc.-yrityksen Altifusion-tuotteen. Tuotteen valinnassa otin huomioon myös mahdolliset tulevaisuuden tarpeet aina täysimittaista lähetysjärjestelmää varten kehittämällä vaiheittaisen hankintasuunnitelman. Järjestelmää hankittaessa tärkeintä on huomioida heti alusta alkaen mahdolliset tulevat tarpeet ja varmistaa hankinnan hyödynnettävyys myös tulevaisuudessa. Järjestelmän hankinnan lisäksi vastasin sen käyttöönotosta ja järjestelmää hyödyntävän testisovelluksen laatimisesta.

Consensus recommendations on training and competing in the heat.

Exercising in the heat induces thermoregulatory and other physiological strain that can lead to impairments in endurance exercise capacity. The purpose of this consensus statement is to provide up-to-date recommendations to optimise performance during sporting activities undertaken in hot ambient conditions. The most important intervention one can adopt to reduce physiological strain and optimise performance is to heat acclimatise. Heat acclimatisation should comprise repeated exercise-heat exposures over 1-2 weeks. In addition, athletes should initiate competition and training in a euhydrated state and minimise dehydration during exercise. Following the development of commercial cooling systems (eg, cooling-vest), athletes can implement cooling strategies to facilitate heat loss or increase heat storage capacity before training or competing in the heat. Moreover, event organisers should plan for large shaded areas, along with cooling and rehydration facilities, and schedule events in accordance with minimising the health risks of athletes, especially in mass participation events and during the first hot days of the year. Following the recent examples of the 2008 Olympics and the 2014 FIFA World Cup, sport governing bodies should consider allowing additional (or longer) recovery periods between and during events, for hydration and body cooling opportunities, when competitions are held in the heat.

User-driven community-based service development

This final thesis project was carried out in the Industrial Management department of University of Applied Sciences Stadia for Forum Virium Helsinki. The purpose of this study was to answer to the question of how companies can use online customer community of co-creation in service development and what is the value gained from it. The paper combines a range of recently published theoretical works and ongoing customer community case development. The study aims to provide new information and action approaches to new service developers that may increase the success of the community building process. The paper also outlines the benefits of the use of online customer community and offers practical suggestions for maximizing the value gained from the community in service development projects. The concepts and suggestions introduced in the study appear to have notable new possibilities to the service development process but they have to be further tested empirically. This paper describes the online consumer community of co-creation to an important organizational process of innovation management suggesting that it possesses a great value to business. Online customer communities offer a potential of improving the success of new services or products enabling early, penetrable market entry and creating sustainable competitive advantage.