Bayesian methods for data-driven characterization of cells

Theorell, Axel; Wiechert, Wolfgang (Thesis advisor); Stelling, Jörg (Thesis advisor)

Aachen (2019, 2020)
Doktorarbeit

Kurzfassung

Die Charakterisierung von Zellen ist eine relevante Herausforderung der modernen Biologie, welche sich mit Fragestellungen bezüglich der genetischen und molekularen Zusammensetzung und der metabolischen Regulation beschäftigt. Dem wird durch den Zyklus der Experiment - Datenauswertung begegnet, in dem Daten durch Experimente generiert werden, und im Wechsel hierzu Schlussfolgerungen aus diesen Daten durch Datenauswertung gezogen werden. In dieser Arbeit wird die Bayesische Statistik zur Datenauswertung für die Charakterisierung von Zellen verwendet, insbesondere: die Stoffflussanalyse, in der intrazelluläre Flüsse durch Messungen von Anreicherungen von 13C Atomen in Metaboliten bestimmt werden (fluxomics) unddie Rekonstruktion von Einzelzellstammbäumen, in der Zeitreihen von Mikroskopbildern von Zellkolonien studiert werden. In beiden Fällen liegt der Fokus auf Problemstellungen, in denen einige Entitäten, welche von zentraler Bedeutung für die Datenauswertung sind, durch die vorliegenden Daten nicht bestimmt werden können. Im Fall der Stoffflussanalyse sind die Daten nicht ausreichend, um ein spezifisches metabolisches Netzwerk zu bestimmen; im Fall der Einzelzellanalyse sind die Bilder nicht ausreichend, um einen Einzelzellstammbaum zu bestimmen. Zusätzlich zu der Herleitung statistischer Formeln für theoretische Problemstellungen werden Berechnungsstrategien für die Bearbeitung von praktischen Problemstellungen vorgeschlagen. Für die Fluxomicsberechnungen werden Markov Chain Monte Carlo Verfahren für Einzelmodellberechnungen und Reversible Jump Markov Chain Monte Carlo Verfahren für Berechnungen, in denen die Modelle unbestimmt sind, vorgeschlagen. Diese Verfahren sind spezifisch für Berechnungen mit Flussparametern ausgelegt, die typischerweise in linear begrenzten Räumen vorkommen. Für Berechnungen mit Unsicherheiten in Einzelzellstammbäumen wird ein Partikel Filter Verfahren vorgeschlagen.

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