Disciplina detalhes

Conhecimentos de Base Recomendados

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Objetivos

O objetivo desta UC é fornecer conhecimentos sobre modelação matemática necessários para simular sistemas biológicos/bioquímicos de um ponto de vista cinético e metabólico. Esta formulação matemática advém da biologia dos sistemas, em que os sistemas podem ser modelados através da utilização de equações diferenciais que englobam não só a cinética e os fluxos do sistema mas também os aspetos de regulação e compartimentação. Esta UC inclui também modelos de aplicação farmacocinética, que foram inicialmente introduzidos na UC “Metabolismo e Regulação”. Nesta UC, os estudantes desenvolvem competências em análise bio-matemática de sistemas biológicos utilizando ferramentas computacionais e bases de dado na área da biologia de sistemas.

Métodos de Ensino

Aulas teóricas demonstrativas. Aulas práticas laboratoriais vocacionadas para a discussão e resolução de exercícios práticos, apresentação de trabalhos e exploração de programas computacionais para desenvolvimento de modelos metabólicos.

Estágio(s)

Não

Programa

1. Modelação matemática de reações enzimáticas: cinética enzimática, mecanismos de ativação e inibição; modelação de sistemas uni-enzimáticos – leis de ação de massa e de potências, lei de Henri-Michaelis-Menten.
2. Modelação de redes metabólicas I: descrição de sistemas metabólicos e dinâmicos; análise do controlo metabólico de sistemas; simulação por equações diferenciais e análise de fluxos metabólicos; representação por grafos.
3. Modelação de redes metabólicas II: reconstrução de modelos e integração de dados ómicos com modelos celulares.
4. Modelação de redes metabólicas III: modelos de gene único e probabilístico para genes procarióticos; modelos regulatórios.
5. Modelação de compartimentos I: fluxo e transportadores.
6. Modelação de compartimentos II: farmacocinética e metabolismo de fármacos.

Demonstração de conteúdos

Os capítulos 1 a 4 do programa são baseados na biologia de sistemas, formam um bloco de conhecimentos sobre modelação em biologia de sistemas, planeamento das etapas do processo de modelação e modelo formal, descrição do metabolismo através de equações matemáticas e exploração de programas de simulação computacional em engenharia de sistemas. Os capítulos 5 e 6 irão lidar com o papel de compartimentação nos vários aspetos do metabolismo e regulação, o que permitirá que os estudantes apreendam os conceitos de modelação de sistemas complexos, como uma célula, e possam também modelar a ação de fármacos, incluindo a sua distribuição por vários tecidos e órgãos.

Demonstração da metodologia

Nesta UC pretende-se dar aos estudantes o conhecimento e as técnicas necessárias para resolver vários tipos de problemas de modelação de processos biológicos, identificando as principais variáveis, descrevendo o problema usando uma abordagem matemática, simulando o sistema e analisando os resultados das simulações. Estes objetivos exigem não só que os estudantes estejam familiarizados com as várias técnicas de modelação de processos biológicos, que serão apresentadas em aulas teóricas, e avaliadas por escrito, mas também exige que os estudantes saibam como aplicar as diferentes abordagens possíveis, o que será explorado em aulas práticas, igualmente avaliadas. No final desta UC os estudantes terão um conhecimento funcional dos temas teóricos e práticos incluídos no programa.

Docente(s) responsável(eis)

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Métodos de Avaliação

Bibliografia

- Britton, N.F., 2003. Essential Mathematical Biology, Springer, ISBN 978-1-852-33536-6.
- Bower, J.M., Bolouri, H. (eds.), 2004. Computational Modeling of Genetic and Biochemical Networks, A Bradford Book, ISBN 978-0-262-52423-0.
- Nielsen, J., Villadsen, J., Lidén, G. 2011. Bioreaction Engineering Principles, Kluwer Academic (3rd ed.)
- Peters, S.A., 2012. Physiologically-Based Pharmacokinetic (PBPK) Modeling and Simulations: Principles, Methods, and Applications in the Pharmaceutical Industry Hardcover, Wiley, ISBN 978-0-470-48406-7.
- Stephanopoulus, G.N., Aristidou, A.A., Nielsen, J. 1998. Metabolic Engineering – Principles and Methodologies. Academic Press.