Steady-state global optimization of metabolic non-linear dynamic models through recasting into power-law canonical models

Background: Design of newly engineered microbial strains for biotechnological purposes would greatly benefit from the development of realistic mathematical models for the processes to be optimized. Such models can then be analyzed and, with the development and application of appropriate optimization techniques, one could identify the modifications that need to be made to the organism in order to achieve the desired biotechnological goal. As appropriate models to perform such an analysis are necessarily non-linear and typically non-convex, finding their global optimum is a challenging task. Canonical modeling techniques, such as Generalized Mass Action (GMA) models based on the power-law formalism, offer a possible solution to this problem because they have a mathematical structure that enables the development of specific algorithms for global optimization. Results: Based on the GMA canonical representation, we have developed in previous works a highly efficient optimization algorithm and a set of related strategies for understanding the evolution of adaptive responses in cellular metabolism. Here, we explore the possibility of recasting kinetic non-linear models into an equivalent GMA model, so that global optimization on the recast GMA model can be performed. With this technique, optimization is greatly facilitated and the results are transposable to the original non-linear problem. This procedure is straightforward for a particular class of non-linear models known as Saturable and Cooperative (SC) models that extend the power-law formalism to deal with saturation and cooperativity. Conclusions: Our results show that recasting non-linear kinetic models into GMA models is indeed an appropriate strategy that helps overcoming some of the numerical difficulties that arise during the global optimization task.

Identifying the preferred subset of enzymatic profiles in nonlinear kinetic metabolic models via multiobjective global optimization and pareto filters

Optimization models in metabolic engineering and systems biology focus typically on optimizing a unique criterion, usually the synthesis rate of a metabolite of interest or the rate of growth. Connectivity and non-linear regulatory effects, however, make it necessary to consider multiple objectives in order to identify useful strategies that balance out different metabolic issues. This is a fundamental aspect, as optimization of maximum yield in a given condition may involve unrealistic values in other key processes. Due to the difficulties associated with detailed non-linear models, analysis using stoichiometric descriptions and linear optimization methods have become rather popular in systems biology. However, despite being useful, these approaches fail in capturing the intrinsic nonlinear nature of the underlying metabolic systems and the regulatory signals involved. Targeting more complex biological systems requires the application of global optimization methods to non-linear representations. In this work we address the multi-objective global optimization of metabolic networks that are described by a special class of models based on the power-law formalism: the generalized mass action (GMA) representation. Our goal is to develop global optimization methods capable of efficiently dealing with several biological criteria simultaneously. In order to overcome the numerical difficulties of dealing with multiple criteria in the optimization, we propose a heuristic approach based on the epsilon constraint method that reduces the computational burden of generating a set of Pareto optimal alternatives, each achieving a unique combination of objectives values. To facilitate the post-optimal analysis of these solutions and narrow down their number prior to being tested in the laboratory, we explore the use of Pareto filters that identify the preferred subset of enzymatic profiles. We demonstrate the usefulness of our approach by means of a case study that optimizes the ethanol production in the fermentation of Saccharomyces cerevisiae.

Equacions diferencials i models

En tot cas, jo voldria que aquesta conferència fos això que he dit: una breu lliçó sobre la importància de les equacions diferencials. Parlaré d'elles des de el punt de vista del models, és a dir, dels fenòmens que modelitzeu. I intentaré explicar que malgrat el seu origen antic, totes elles segueixen presentant avui en dia problemes nous i interessants, tant des de el punt de vista teòric com pràctic.

A Multi-state model for the analysis of functional decline and mortality of frail elderly patients

L’objectiu d’aquest estudi, que correspon a un projecte de recerca sobre la pèrdua funcional i la mortalitat de persones grans fràgils, és construir un procés de supervivència predictiu que tingui en compte l’evolució funcional i nutricional dels pacients al llarg del temps. En aquest estudi ens enfrontem a l’anàlisi de dades de supervivència i mesures repetides però els mètodes estadístics habituals per al tractament conjunt d’aquest tipus de dades no són apropiats en aquest cas. Com a alternativa utilitzem els models de supervivència multi-estats per avaluar l’associació entre mortalitat i recuperació, o no, dels nivells funcionals i nutricionals considerats normals. Després d’estimar el model i d’identificar els factors pronòstics de mortalitat és possible obtenir un procés predictiu que permet fer prediccions de la supervivència dels pacients en funció de la seva història concreta fins a un determinat moment. Això permet realitzar un pronòstic més precís de cada grup de pacients, la qual cosa pot ser molt útil per als professionals sanitaris a l’hora de prendre decisions clíniques.

Two different 3D biogeochemical models for the NW mediterranean sea: validation with Meris data and intercomparison

Report for the scientific sojourn carried out at the University of New South Wales from February to June the 2007. Two different biogeochemical models are coupled to a three dimensional configuration of the Princeton Ocean Model (POM) for the Northwestern Mediterranean Sea (Ahumada and Cruzado, 2007). The first biogeochemical model (BLANES) is the three-dimensional version of the model described by Bahamon and Cruzado (2003) and computes the nitrogen fluxes through six compartments using semi-empirical descriptions of biological processes. The second biogeochemical model (BIOMEC) is the biomechanical NPZD model described in Baird et al. (2004), which uses a combination of physiological and physical descriptions to quantify the rates of planktonic interactions. Physical descriptions include, for example, the diffusion of nutrients to phytoplankton cells and the encounter rate of predators and prey. The link between physical and biogeochemical processes in both models is expressed by the advection-diffusion of the non-conservative tracers. The similarities in the mathematical formulation of the biogeochemical processes in the two models are exploited to determine the parameter set for the biomechanical model that best fits the parameter set used in the first model. Three years of integration have been carried out for each model to reach the so called perpetual year run for biogeochemical conditions. Outputs from both models are averaged monthly and then compared to remote sensing images obtained from sensor MERIS for chlorophyll.

The role of fixed delays in neuronal rate models

Fixed delays in neuronal interactions arise through synaptic and dendritic processing. Previous work has shown that such delays, which play an important role in shaping the dynamics of networks of large numbers of spiking neurons with continuous synaptic kinetics, can be taken into account with a rate model through the addition of an explicit, fixed delay. Here we extend this work to account for arbitrary symmetric patterns of synaptic connectivity and generic nonlinear transfer functions. Specifically, we conduct a weakly nonlinear analysis of the dynamical states arising via primary instabilities of the stationary uniform state. In this way we determine analytically how the nature and stability of these states depend on the choice of transfer function and connectivity. While this dependence is, in general, nontrivial, we make use of the smallness of the ratio in the delay in neuronal interactions to the effective time constant of integration to arrive at two general observations of physiological relevance. These are: 1 - fast oscillations are always supercritical for realistic transfer functions. 2 - Traveling waves are preferred over standing waves given plausible patterns of local connectivity.

Modelado y simulación de sistemas biológicos

En la presente memoria se ha recogido de forma escrita el conjunto de fases que se han llevado a cabo en la realización del proyecto consistente en un simulador de sistemas biológicos utilizando modelos orientados al individuo. Concretamente, el sistema biológico representado ha consistido en el movimiento y comportamiento de cohesión que poseen los peces.

Modelos de viento aplicados a la mejora en la predicción de incendios forestales

La predicción de incendios forestales es uno de los grandes retos de la comunidad científica debido al impacto medioambiental, humano y económico que tienen en la sociedad. El comportamiento de este fenómeno es difícil de modelar debido a la gran cantidad de variables que intervienen y la dificultad que implica su correcta medición. Los simuladores de fuego son herramientas muy útiles pero, actualmente, los resultados que obtenemos tienen un alto grado de imprecisión. Desde nuestro grupo se ha trabajado en la predicción en dos etapas, donde antes de realizar cualquier predicción, se incorpora una etapa de ajuste de los parámetros de entrada para obtener mejores predicciones. Pese a la mejora que supone este nuevo paradigma de predicción, las simulaciones sobre incendios reales tienen un alto grado de error por el efecto de las condiciones meteorológicas que, usualmente, varían de manera notable durante el transcurso de la simulación. Uno de los factores más determinantes en el comportamiento de un incendio, junto con las características del terreno, es el viento. Los modelos de predicción son extremadamente sensibles al cambio en los componentes de dirección y velocidad del viento por lo que cualquier mejora que podamos introducir para mejorar la calidad de estas componentes influye directamente en la calidad de la predicción. Nuestro sistema de predicción utiliza la dirección y velocidad del viento de forma global en todo el terreno, y lo que proponemos con este trabajo es introducir un modelo de vientos que nos permita generar vientos locales en todas las celdas en las que se divide el terreno. Este viento local dependerá del viento general y de las características del terreno de dichas celdas. Consideramos que la utilización de un viento general no es suficiente para realizar una buena predicción del comportamiento de un incendio y hemos comprobado que la inclusión de un simulador de campo de vientos en nuestro sistema puede llegar a mejorar nuestras predicciones considerablemente. Los resultados obtenidos en los experimentos sintéticos que hemos realizado nos hacen ser optimistas, puesto que consideramos que la inclusión de componentes de viento locales permitirá mejorar nuestras predicciones en incendios reales.

Analisi espacial del canvi climàtic al continent europeu. Incerteses i exposicions principals

El canvi climàtic del segle XXI és una realitat, hi ha moltes evidències científiques que indiquen que l’escalfament del sistema climàtic és inequívoc. Malgrat això, també hi ha moltes incerteses respecte els impactes que pot comportar aquest canvi climàtic global. L’objectiu d’aquest projecte és estudiar la possible evolució futura de tres variables climàtiques, que són el rang de la temperatura diürna a prop de la superfície (DTR), la temperatura mitjana a prop de la superfície (MT) i la precipitació mensual (PL_mes) i valorar l’exposició que poden experimentar diferents cobertes del sòl i diferents regions biogeogràfiques del continent europeu davant d’aquests possibles patrons de canvi. Per això s’han utilitzat Models Climàtics Globals que fan projeccions de variables climàtiques que permeten preveure el possible clima futur. Mitjançant l’aplicatiu informàtic Tetyn s’han extret els paràmetres climàtics dels conjunts de dades del Tyndall Centre for Climate Change Research, del futur (TYN SC) i del passat (CRU TS). Les variables obtingudes s’han processat amb eines de sistemes d’informació geogràfica (SIG) per obtenir els patrons de canvi de les variables a cada coberta del sòl. Els resultats obtinguts mostren que hi ha una gran variabilitat, que augmenta amb el temps, entre els diferents models climàtics i escenaris considerats, que posa de manifest la incertesa associada a la modelització climàtica, a la generació d’escenaris d’emissions i a la naturalesa dinàmica i no determinista del sistema climàtic. Però en general, mostren que les glaceres seran una de les cobertes més exposades al canvi climàtic, i la mediterrània, una de les regions més vulnerables

Planteamiento y optimización de experimentos analíticos

En el prosent projecte s'introduirà la teoria del disseny estadístic d'experiments i ens endinsarem amb més profunditat en els dissenys factorials complerts. Aquest tipus de dissenys, són d'aplicació en sistemes en els que es desitja estudiar la influència que tenen els k factors sobre una variable resposta. Els dissenys factorials complerts, són aquells en els que els k factors poden prendre diversos nivells, i es contemplen totes les posibles combinacions entre ells. Aquest projecte es centrarà més concretament en els dissenys factorials complerts 2, on el número 2 indica que cadascun els factors pren 2 nivells diferents. S'explicarà la teoria corresponent a aquests dissenys amb l'ajuda de diversos exemples, explicant des de un disseny factorial en el que s'estudia la influència de 2 factros (2), fins a un en el que s'estudia la influència de 4 factors (2). També s'ha introduït alguns mètodes que ens ajudaran a trobar models matemàtics que s'ajustin al sistema, i algunes metodologies d'optimització com la metodologia de superficie de resposta o el mètode simplex, per poder treure el màxim partit als nostres recursos. Una vegada introduïts tots aquests conceptes, es procedirà a realitzar un estudi i optimització d'una reacció química que consisteix en l'eliminació del coure d'una dissolució per a la posterior utilització d'aquesta dissolució en la industria per a l'extracció d'or i plata. El segon cas d'aplicació serà la realització de l'estudi i optimització del procés d'obtenció de biodièsel. En ambdós casos s'aplicarà un disseny factorial complet 2, però en cada un s'aplicarà una metodologia diferent per realitzar la optimització. Donat que aquest és un projecte purament centrat en el disseny d'experiments i en el tractament de les dades obtingudes, l'experimentació no ha sigut realitzada per nosaltres, sinó que la informació referent a la mateixa s'ha obtingut d'articles acadèmics realitzats per diferents universitats que han realitzat els estudis corresponents.

Modelling world investment markets using threshold conditional correlation models

In this paper we propose a parsimonious regime-switching approach to model the correlations between assets, the threshold conditional correlation (TCC) model. This method allows the dynamics of the correlations to change from one state (or regime) to another as a function of observable transition variables. Our model is similar in spirit to Silvennoinen and Teräsvirta (2009) and Pelletier (2006) but with the appealing feature that it does not suffer from the course of dimensionality. In particular, estimation of the parameters of the TCC involves a simple grid search procedure. In addition, it is easy to guarantee a positive definite correlation matrix because the TCC estimator is given by the sample correlation matrix, which is positive definite by construction. The methodology is illustrated by evaluating the behaviour of international equities, govenrment bonds and major exchange rates, first separately and then jointly. We also test and allow for different parts in the correlation matrix to be governed by different transition variables. For this, we estimate a multi-threshold TCC specification. Further, we evaluate the economic performance of the TCC model against a constant conditional correlation (CCC) estimator using a Diebold-Mariano type test. We conclude that threshold correlation modelling gives rise to a significant reduction in portfolio´s variance.

Epidemic models with an infected-infectious period

The introduction of an infective-infectious period on the geographic spread of epidemics is considered in two different models. The classical evolution equations arising in the literature are generalized and the existence of epidemic wave fronts is revised. The asymptotic speed is obtained and improves previous results for the Black Death plague

Second-order Møller-Plesset perturbation theory without basis set superposition error : II : open-shell systems

The basis set superposition error-free second-order MØller-Plesset perturbation theory of intermolecular interactions was studied. The difficulties of the counterpoise (CP) correction in open-shell systems were also discussed. The calculations were performed by a program which was used for testing the new variants of the theory. It was shown that the CP correction for the diabatic surfaces should be preferred to the adiabatic ones

Exactly solvable phase oscillator models with syncrhonization dynamics

Populations of phase oscillators interacting globally through a general coupling function f(x) have been considered. We analyze the conditions required to ensure the existence of a Lyapunov functional giving close expressions for it in terms of a generating function. We have also proposed a family of exactly solvable models with singular couplings showing that it is possible to map the synchronization phenomenon into other physical problems. In particular, the stationary solutions of the least singular coupling considered, f(x) = sgn(x), have been found analytically in terms of elliptic functions. This last case is one of the few nontrivial models for synchronization dynamics which can be analytically solved.

Modelos dinámicos en finanzas

El problema de la modelización dinámica enfinanzas tiene mucho que ver con el tipo deproblema que se pretende estudiar. Es preciso teneren cuenta el subyacente así como las magnitudesque se pretende estimar para elegir el modeloadecuado.-