Master 1 MODAL INF473L - Bioinformatique des réseaux de réactions chimiques, Ecole Polytechnique

François Fages, Sylvain Soliman, co-coordinators and teachers (60h)

Que peut-on calculer en chimie et comment peut-on programmer dans le langage des réseaux de réactions chimiques ?

Les cellules vivantes traitent l’information des signaux qu'elles reçoivent et émettent dans l'environnement, régulent leur métabolisme, prennent des décisions sur leur destin cellulaire comme par exemple l’entrée dans le cycle de division cellulaire, la différenciation cellulaire ou encore la migration, et contrôlent le bon déroulement de ces processus. En un certain sens les cellules effectue des calculs, et nous cherchons à mettre l'informatique fondamentale, et ses concepts, méthodes et outils au service de la compréhension de ces processus biologiques.

Ce modal a pour ambition d’explorer le concept récent de programmation biochimique au travers, d’une part, des bases théoriques nécessaires sur les systèmes de réactions chimiques vus comme un langage de programmation, et d’autre part, des algorithmes de simulation, analyse et aussi synthèse de programmes biochimiques à partir de spécifications formelles des comportements observés ou désirés.

Dans cette vue, ce sont les protéines en grand nombre qui effectuent les calculs de manière analogique en continu, de façon donc très différente des ordinateurs digitaux. Les gènes déterminent les changements de programmes via la synthèse ou non des protéines nécessaires à certaines réactions.

Un résultat de Turing-complétude montre que toute fonction réelle calculable peut être implantée par un système de réactions sur un nombre fini d’espèces moléculaires.

Le modal est organisé en travaux pratiques en binôme pour la conception, par des méthodes soit formelles, soit d’apprentissage automatique ou d’évolution artificielle, de systèmes de réactions chimiques de diagnostic médical, d’optimisation thérapeutique, et de résolution de problèmes NP-difficiles.

Bibliographie: chapitre de livre

Schedule of Sessions (10h30-12h 13h30-17h45)

14 Feb 2020

Introduction to the Biochemical Abstract Machine language BIOCHAM (slides)

• hello world in BIOCHAM
• chemical arithmetic

28 Feb

Chemical reaction networks

• gene expression
• autocatalytic program

6 March

Chemical master equation (slides)

• ODEs for means and variances

20 March cancelled, will be 27 March by web-conference using ordinary browsers

Cells as analog chemical computers (slides)

• chemical trigonometry
• Doctor in the cell

3 Apr

Cell behaviors in temporal logic (slides)

• chemical signaling

10 Apr

Quantitative verification, robustness and parametrization ( slides)

• chemical switches, cell cycle and circadian clock

24 Apr

Chemical solving of NP-hard problems ( slides)

• chemical SAT solver

15 May

Learning Boolean models ( slides, video)

• Lotka-Volterra reaction and influence models
• PAC learning of influence models

22 May

Individual oral presentation of your favorite session (or one of your own)

• 30mn each

Your grade will be

• 2/3 notebooks (continuous examination)
• 1/3 oral presentation (final examination)