Μοντελοποιήση Φυσικοχημεικών Διεργασιών στην Βιολογία (ΜΒΓ520)

Σκοπός του μαθήματος είναι η εισαγωγή του Φοιτητή στην χρήση υπολογιστικών εργαλείων που επιτρέπουν την μοντελοποίηση Βιολογικών δράσεων και διεργασιών.

Η χρήση των εργαλείων αυτών θα ξεχωριστεί σε δύο κατηγορίες : Αυτή που δεν συνδέεται με προγραμματισμό αλλά με χρήση διαθέσιμων υπολογιστικών εργαλείων και σε μία δεύτερη στην οποία οι φοιτητές θα έχουν την δυνατότητα εφόσον το επιθυμούν να προγραμματίσουν τις δικές τους εφαρμογές, φτιάχνοντας μικρά projects.

Ο τρόπος διδασκαλίας αλλά και εξέτασης πραγματοποιείτε μέσω ομαδικών (ή και ατομικών) project τα οποία μπορεί να περιέχουν ή και να συνδυάζουν ένα ή περισώτερα από τα παρακάτω στοιχεία:

Χρήση έτοιμων υπολογιστικών προγραμμάτων,

Ανάπτυξη κώδικα (σε python ή κάποια άλλη γλώσσα),

Κατάστρωση μαθηματικού μοντέλου.

Τα μαθήματα θα πραγματοποιούνται στην αίθουσα των υπολογιστών στην Δραγάνα, με εξαίρεση φυσικά την έκτακτη χρήση εξ’ αποστάσεως εκπαίδευση λόγο Covid-19 (κατά το χειμερινό εξάμηνο του 2020-2021), όπου τα εξ’αποστάσεως μαθήματα θα πραγματοποιούνται “όπως όλα δείχνουν” μέσω τηλεδιάσκεψης.

Δεν απαιτείτε ιδιαίτερος εξοπλισμός για την συμμετοχή στο μάθημα, πέρα από την δυνατότητα πρόσβασης στο διαδίκτυο.

Το μάθημα στηρίζετε σε τρεις πυλώνες :

α) Το Βιολογικό πρόβλημα π.χ. :

την απόκριση συστημάτων βιοχημικών αντιδράσεων,

ή την απόκριση νευρώνων,

ή την πρόσδεση φαρμάκων σε πρωτεΐνες,

η την μελέτη πληθυσμιακής εξέλιξης γονιδιακής πληροφορίας

ή την εξάπλωση λιμωδών ασθενειών

β) Το μαθηματικό μοντέλο που μπορεί να ποσοτικοποιήσει το βιολογικό πρόβλημα. Ιδιαίτερη έμφαση θα δίνετε στην φυσική σημασία και όχι στο τεχνικό κομμάτι. Για παράδειγμα θα δούμε πως η δυναμική ευστάθεια, (μια μαθηματική έννοια) μπορεί να μας οδηγήσει σε δημιουργία “μνήμης” σε ένα σύστημα βιοχημικών αντιδράσεων.

γ) Τα υπολογιστικά εργαλεία τα οποία μας δίνουν την δυνατότατη να επιλύουμε τα μοντέλα. Ιδιαίτερο βάρος θα δοθεί στην χρήση έτοιμων εργαλείων είτε προγραμμάτων είτε “βιβλιοθηκών” που να διευκολύνουν αυτό το βήμα.

Τα βασικά μαθηματικά εργαλεία που εισαγάγονται και χρησιμοποιούνται κατά την διάρκεια του μαθήματος είναι : Αρχές γραμμικής άλγεβρας (Διανύσματα, πίνακες), επίλυση συστημάτων εξισώσεις και συστημάτων από συνήθεις διαφορικές εξισώσεις, δυναμική ευστάθεια, αρχές στοχαστικών διεργασιών και τέλος αρχές αριθμητικής ανάλυσης. Σε όλες τις περιπτώσεις το βάρος δεν δίνετε ιδιαίτερα στο τεχνικό μαθηματικό κομμάτι αλλά στην φυσική σημασία των εργαλείων αυτών και γιαυτό σε κάθε περίπτωση παρουσιάζονται εργαλεία που επιτρέπουν την επίλυση των μαθηματικών μοντέλων, έτσι ώστε να είναι δυνατή η εμβάθυνση στην κατανόηση της φυσικής διεργασίας.

Αν και οι φοιτητές είναι σε θέση αν επιλέξουν κάποιο project που να εμπεριέχει προγραμματισμό να επιλέξουν και γλώσσα προγραμματισμού που επιθυμούν, στο μάθημα η γλώσσα προγραμματισμού που θα χρησιμοποιηθεί θα είναι η python για την οποία θα υπάρξει και κατάλληλη εισαγωγή.