Implementing Petri Nets for Modelling and Simulation in Biosciences

Abstract

ABSTRACT: It was in 1993 that Petri nets were introduced for modelling of biochemical reactions. Since that time Petri nets are increasingly used to dive deep into the details of functioning of cumbersome biological processes. In this context, Petri nets have become anindispensable tool for modeling and simulation of biochemical reactions, biomedical systems, processes arising in molecular biology and genetics. This thesis intends to present a comprehensive overview of bibliography on application of Petri nets in biosciences. Based on analysis of bibliographical information covering the period of from January 1993 to July 2010, we provide statistical data on subject areas investigated with Petri nets, use of Petri net types, analysis methods as well as dedicated software tools. We detail HFPN – a Petri net with extension that combines both discrete and continuous components in it – and Cell Illustrator 5.0 – a licensed powerful software tool for modeling and simulation of biological systems. In order to show effectiveness of both HFPN and Cell Illustrator in modelling and simulation of biopathways, we introduce three case studies: (i) validation of the p53 transcriptional activity through modelling with HFPN and performing simulation in Cell Illustrator software; (ii) modelling of gene regulatory mechanism of the lac operon and glycolytic pathway; (iii) circadian rhythms in Drosophila. Keywords:Petri Nets,metabolic pathways, signal transduction networks, gene regulatory pathways.

……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

ÖZ: Petri ağları biyokimyasal reaksiyonları modellemek için ilk defa 1993 yılında önerilmiştir. O zamandan bu yana Petri ağları giderek daha karmaşık biyolojik süreçlerin işleyişini ayrıntılı olarak irdelemek için kullanılır.Bu bağlamda, Petri ağları biyokimyasal reaksiyonlarda, biyomedikal sistemlerde, moleküler biyoloji ve genetikte ortaya çıkan süreçlerin modellerinin oluşturulması ve simülasyon yapılması için vazgeçilmez bir araç haline gelmiştir. Bu tezin amacı Petri ağlarının biyolojik bilimlerde uygulamalarına kapsamlı bir genel bakış sunmaktır.Bu amaçla Ocak 1993 - Temmuz 2010 dönemini kapsayan bibliyografik bilgilereistinaden, Petri ağları aracılığı ile araştırmalar yapılan biyolojik bilim alanlarına, Petri ağı türlerinin kullanımına, çözümleme yöntemlerineve özel yazılım araçlarına ilişkin istatistiki veriler sağlamiştır. Hibrid fonksiyonel Petri ağı ayrık ve sürekli bileşenleri içinde birleştiren bir uzantıya sahip Petri ağı türüdür.Cell Illustrator 5.0 biyolojik süreçlerin modellenmesi ve simülasyonu için kullanılan etkili bir araçtır.Hem hibrid fonksiyonel Petri ağının hem de Cell Illustrator yazılımının etkinliği aşağıdaki üç örnekle irdelenmektedir: (i)p53 transkripsiyonel aktifliğinin simülasyon yaparak doğrulanması; (ii) lacoperon gen düzenleyici mekanizmasının ve glikolitik yolun modelinin oluşturulması; (iii) Drosophilaiçin sirkadiyen ritim modelinin oluşturulması. Anahtar Kelimeler: Petri ağları, metabolik yollar, sinyal iletimi kaskadlar, gen düzenleyici yollar