Back to Search Start Over

Push-forward method for piecewise deterministic biochemical simulations

Authors :
Arnaud Debussche
Ovidiu Radulescu
Guilherme C. P. Innocentini
Fernando Antoneli
Arran Hodgkinson
Universidade Federal do ABC = Federal University of ABC = Université Fédérale de l'ABC [Brazil] (UFABC)
University of Exeter
Universidade Federal de São Paulo
Institut de Recherche Mathématique de Rennes (IRMAR)
Université de Rennes (UR)-Institut National des Sciences Appliquées - Rennes (INSA Rennes)
Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-École normale supérieure - Rennes (ENS Rennes)-Université de Rennes 2 (UR2)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-INSTITUT AGRO Agrocampus Ouest
Institut national d'enseignement supérieur pour l'agriculture, l'alimentation et l'environnement (Institut Agro)-Institut national d'enseignement supérieur pour l'agriculture, l'alimentation et l'environnement (Institut Agro)
Laboratory of Pathogen Host Interactions [Montpellier] (LPHI)
Université de Montpellier (UM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
Agence nationale de la recherche
FAPESP
University of Montpellier
ANR-11-LABX-0020,LEBESGUE,Centre de Mathématiques Henri Lebesgue : fondements, interactions, applications et Formation(2011)
Universidade Federal do ABC (UFABC)
Escola Paulista de Medicina [São Paulo] (EPM)
Universidade de São Paulo (USP)
AGROCAMPUS OUEST
Institut national d'enseignement supérieur pour l'agriculture, l'alimentation et l'environnement (Institut Agro)-Institut national d'enseignement supérieur pour l'agriculture, l'alimentation et l'environnement (Institut Agro)-Université de Rennes 1 (UR1)
Université de Rennes (UNIV-RENNES)-Université de Rennes (UNIV-RENNES)-Université de Rennes 2 (UR2)
Université de Rennes (UNIV-RENNES)-École normale supérieure - Rennes (ENS Rennes)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National des Sciences Appliquées - Rennes (INSA Rennes)
Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université de Rennes (UNIV-RENNES)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)
École normale supérieure - Rennes (ENS Rennes)
Multi-scale numerical geometric schemes (MINGUS)
Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université de Rennes (UNIV-RENNES)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-AGROCAMPUS OUEST
Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université de Rennes (UNIV-RENNES)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Inria Rennes – Bretagne Atlantique
Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)
LPHI - Laboratory of Pathogen Host Interactions (LPHI)
Université de Rennes 1 (UR1)
Université de Rennes (UNIV-RENNES)-Université de Rennes (UNIV-RENNES)-Institut National des Sciences Appliquées - Rennes (INSA Rennes)
Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université de Rennes (UNIV-RENNES)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-École normale supérieure - Rennes (ENS Rennes)-Université de Rennes 2 (UR2)
Université de Rennes (UNIV-RENNES)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-INSTITUT AGRO Agrocampus Ouest
Institut national d'enseignement supérieur pour l'agriculture, l'alimentation et l'environnement (Institut Agro)-Institut national d'enseignement supérieur pour l'agriculture, l'alimentation et l'environnement (Institut Agro)-Inria Rennes – Bretagne Atlantique
Source :
Theoretical Computer Science, Theoretical Computer Science, 2021, 893, pp.17-40. ⟨10.1016/j.tcs.2021.05.025⟩, Theoretical Computer Science, Elsevier, 2021, 893, pp.17-40. ⟨10.1016/j.tcs.2021.05.025⟩
Publication Year :
2021
Publisher :
HAL CCSD, 2021.

Abstract

A biochemical network can be simulated by a set of ordinary differential equations (ODE) under well stirred reactor conditions, for large numbers of molecules, and frequent reactions. This is no longer a robust representation when some molecular species are in small numbers and reactions changing them are infrequent. In this case, discrete stochastic events trigger changes of the smooth deterministic dynamics of the biochemical network. Piecewise-deterministic Markov processes (PDMP) are well adapted for describing such situations. Although PDMP models are now well established in biology, these models remain computationally challenging. Previously we have introduced the push-forward method to compute how the probability measure is spread by the deterministic ODE flow of PDMPs, through the use of analytic expressions of the corresponding semigroup. In this paper we provide a more general simulation algorithm that works also for non-integrable systems. The method can be used for biochemical simulations with applications in fundamental biology, biotechnology and biocomputing.This work is an extended version of the work presented at the conference CMSB2019.<br />Comment: arXiv admin note: text overlap with arXiv:1905.00235

Details

Language :
English
ISSN :
18792294 and 03043975
Database :
OpenAIRE
Journal :
Theoretical Computer Science, Theoretical Computer Science, 2021, 893, pp.17-40. ⟨10.1016/j.tcs.2021.05.025⟩, Theoretical Computer Science, Elsevier, 2021, 893, pp.17-40. ⟨10.1016/j.tcs.2021.05.025⟩
Accession number :
edsair.doi.dedup.....15f3fafe9b1ac12741d472c6afa61243