Sistema de Apoio à Engenharia Genética utilizando Vírus Artificiais

Transcrição

1 Universidade Federal do Espírito Santo Inteligência Artificial Sistema de Apoio à Engenharia Genética utilizando Vírus Artificiais Grupo: Alessander Botti Benevides Estefhan Dazzi Wandekoken Fabbiano Ferrari Pedro Paulo Favato Barcelos Vitória 2007/02

2 Sistema de Apoio à Engenharia Genética utilizando Vírus Artificiais Relatório Final apresentado como requisito para a conclusão da Disciplina Inteligência Artificial, ministrada aos alunos dos cursos de Ciência e Engenharia da Computação e do Mestrado em Informática da UFES, por Prof. Dr. Giancarlo Guizzardi e Profa. Dra. Renata Silva Souza Guizzardi.

3 Sistemas Multiagentes Análise e Projeto usando ARKnowD 1. Descrição do Problema O sistema aqui proposto se dispõe a prover suporte à Engenharia Genética por meio da utilização de vírus artificiais previamente construídos. A motivação para esse problema foi a descrição de uma forma alternativa de modificação genética, por meio da construção de uma artefato que se comporta como um vírus, com conseqüências predeterminadas ao ciclo de vida celular. A recente notícia[1] de que dois grupos de pesquisadores, liderados por Shinya Yamanaka, da Universidade de Kyoto, e Junying Yu, da Universidade Wisconsin's, utilizaram um vírus para adicionar quatro novos genes em células de pele, transformando-as em células tronco, vem a confirmar a importância de um sistema tal qual o aqui proposto. As células tronco têm a habilidade de se transformar em quase todos os tipos de célula do corpo, por isso elas estão sendo consideradas como uma Panacéia em potencial para doenças degenerativas e recrescimento de órgãos e membros. As células criadas por esses pesquisadores posteriormente foram induzidas a se transformar em tecidos do cérebro, do coração e músculos. A produção de células tronco a partir de células já diferenciadas é de grande importância, pois a pesquisa nas primeiras têm sido bastante prejudicada pela polêmica político/ético/religiosa sobre a obtenção de células tronco a partir de embriões humanos. [1] 2. Requisitos Iniciais Para uma melhor compreensão do que são os atores, suas funcionalidades e interdependências, são exibidas abaixo breves descrições das organelas celulares modeladas nos diagramas posteriores.

4 1. Nucléolo: Encontra-se dentro do núcleo. Sua função está relacionada à formação dos Ribossomos e à coordenação dos processos reprodutivos das células. Ele desaparece no início da reprodução celular. 2. Núcleo: Controla todas as atividades celulares: o que deve ser produzido, em que quantidade e em que momento. É responsável, também, pelo armazenamento da informação genética, duplicação do DNA e transcrição. 3. Ribossomo: Realiza a síntese de proteínas que serão utilizadas em processos internos da célula e de enzimas, que são expelidas. Eles se encontram espalhados no citoplasma, presos uns aos outros por fitas de RNA, formando polissomos, ou grudados ao Retículo Endoplasmático Rugoso para a produção de enzimas. 4. Vesícula: Armazena as enzimas que serão expelidas pela célula e as transporta para o Complexo de Golgi. 5. Retículo Endoplasmático Rugoso (RER): Além de desempenhar todas as funções do Retículo Endoplasmático Liso, ele é capaz de sintetizar proteínas, devido a presença de Ribossomos. 6. Complexo de Golgi: É a organela responsável por: empacotar as enzimas recebidas pela Vesícula e envia-las para fora da célula; completar as modificações na pós-tradução; fazer hidrólise de lipídios; terminar o processo de glicosilação, de fosforilação e de sulfatação; e separar proteínas. Forma também o lisossomo e o acrossomo. Funciona, portanto, como uma espécie de sistema central de distribuição na célula, atuando como centro de

5 armazenamento, transformação, empacotamento e remessa de substâncias na célula. 7. Citoesqueleto: É o conjunto de filamentos que forma a rede hialoplasmática. É responsável em manter a forma da celula e pelo movimento de substâncias intracelular. É atuante na divisão da celula, e é formado por Microtúbulos: 1. Microtúbulos: São responsáveis por oferecer rigidez e simetria à forma das células; manter os prolongamentos celulares; servir de suporte para as células na locomoção; e servir como base morfológica para centríolos, cílios, flagelos e corpúsculos basais. Também são responsáveis pelo movimento celular, movimento de partículas na superfície da célula e pelo movimento intracelular. 8. Retículo Endoplasmático Liso (REL): Tem por objetivo facilitar as reações enzimáticas; promover a síntese de lipídios na célula; regular a pressão osmótica (para regular a pressão osmótica, ele retira o hialoplasma e armazena substâncias em suas cavidades); e armazenar substâncias produzidas. 9. Mitocôndria: É responsável pela respiração celular e pelo fornecimento de energia a partir da quebra da glicose. A energia provém do ciclo de Krebs, em que, a partir de uma molécula de glicose se formam ATP's, CO2 e H2O. Além disso, é na membrana mitocondrial interna que ocorre o sistema transportador de elétrons, que também fornece ATP's. 10.Vacúolo: Não foi modelado por não ser uma organela presente em qualquer célula animal. 11.Citoplasma: É o espaço intra-celular entre a membrana plasmática e o envoltório nuclear. É dividido em duas partes: 1. Hialoplasma: Matéria coloidal e semi-fluído na qual estão suspensas as organelas celulares; 2. Cotoplasma figurado: são as organelas celulares. 12.Lisossomo: Possui enzimas e é formado pelo Complexo de Golgi. É Responsável por promover a digestão intracelular e a autólise. 13.Centríolo: É composto por nove conjuntos de três túbulos. Origina os cílios e flagelos, forma o fuso acromático (para o movimento dos cromossomos) e é responsável pela cinética celular. A seguir é mostrado o diagrama de Dependência Estratégica dos Requisitos Iniciais em Tropos:

6 Abaixo estão os diagramas de Razão Estratégica para os seguintes atores: Núcleo, Ribossomo, Retículo Endoplasmático Rugoso, Vesícula, Complexo de Golgi e Membrana Celular.

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11 3. Requisitos Finais Nos Requisitos Finais, o Vírus, que é o ator do sistema, já está presente. O diagrama de Dependência Estratégica para o modelo Tropos de Requisitos Finais é:

12 Todos os diagramas de Razão Estratégica nos Requisitos Finais se mantém iguais aos diagramas nos Requisitos Iniciais, por isso, somente será apresentado o diagrama de Razão Estratégica do Vírus, que está a seguir. 4. Projeto Arquitetural No Projeto Arquitetural são modeladas as relações do Vírus com seus dois sub-agentes Genoma Viral e Capsídeo. Com a inclusão desses sub-agentes, praticamente todos os diagramas de Razão Estratégica das organelas celulares foram alterados. O diagrama de Dependência Estratégica para o Projeto Arquitetural está a seguir.

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14 Agora são mostrados somente os diagramas de Razão Estratégica que diferem dos diagramas das etapas anteriores. Os (sub)atores são: Vírus, Genoma Viral, Capsídeo, Núcleo, Ribossomo, Retículo Endoplasmático Rugoso, Complexo de Golgi e Membrana Celular.

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22 5. Projeto Detalhado Nessa seção são mostrados os diagramas AORML: Agent Diagram (AD), Interaction Sequence Diagram (ISD), Interaction Frame Diagram (IFD) e Interaction Pattern Diagram (IPD). Passamos por algumas dificuldades de modelagem em AORML, pois de acordo com a tabela de conversão ARKnowD, entre elementos de Tropos e AORML, uma dependência será uma associação no AD e um compromisso no ISD, e como compromissos devem sempre estar associados à comunicações, entendemos que a associação no AD será sempre uma <<comunicação>> (abreviamos para <<com.>> no diagrama AD). Então todas as associações no nosso AD deverão ser comunicações, nas quais um agente pede ao outro para executar alguma tarefa e uma mensagem do segundo para o primeiro servirá para cumprir o compromisso. Esse foi um descontentamento que tivemos com a linguagem e que explicamos melhor na seção AD

23 5.2. ISD Foram feitos três ISD's, dois que modelam casos de interação entre um Capsídeo e uma Membrana Celular e um que modela a interação entre um Genoma Viral e um Núcleo.

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26 5.3. IFD Foram criados três IFD's, relativos aos ISD's anteriores.

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28 5.4. IPD Foram feitos dois IPD's que modelam o comportamento interno dos agentes Capsídeo, Membrana Celular, Genoma viral e Núcleo.

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30 6. Avaliação da Experiência 6.1. Uso da Metodologia ARKnowD (Tropos+AORML) A nossa opinião é a de que o desenvolvimento orientado à agentes (OA), do ponto de vista da engenharia de software, é muito apropriado à modelagem de sistemas que visam apoiar estruturas organizacionais. Por exemplo, ao possibilitar a modelagem de agentes de software capazes de otimizar etapas (possíveis gargalos) de processos de negócio. Essa adequação se dá pelo fato de a OA prover conceitos (como percepção, crença, ação, objetivo, compromisso, direito) que facilitam a modelagem de sistemas fortemente baseados em interações sociais humanas, como as estruturas organizacionais. A OA, do ponto de vista da Inteligência Artificial (IA), também é de significativa importância na modelagem de soluções heurísticas de problemas de difícil (ou impossível) solução analítica. Em relação à linguagem Tropos, consideramos o léxico e a sintaxe simples. A semântica nos pareceu adequada para as fases de desenvolvimento, mas achamos estranho a linguagem só prover uma noção intuitiva de ordenação na execução de tarefas. Na prática, consideramos difícil a análise do equilíbrio de dependências. Em relação à linguagem AORML, sentimos algumas dificuldades com o léxico da mesma, pois os símbolos são muito semelhantes. Em relação à sintaxe, as regras de associação entre os símbolos nos pareceu simples, mas achamos um pouco contra-intuitivo o fato de compromissos só poderem ser cumpridos por meio do envio de mensagens, pois ao cumprir um compromisso, um agente muda o estado do sistema, logo o agente interessado nesse compromisso pode perceber essa mudança de estado como uma informação contextual. Já na semântica, o conjunto de estereótipos disponíveis para os agentes não nos pareceu completo, pois devido à natureza do nosso sistema, entendemos que deveria haver um estereótipo mais abstrato que <<humano>> e que fosse relacionado a algumas características cognitivas e sociais representadas por <<humano>>. Consideramos a ARKnowD uma poderosa metodologia para modelagem orientada à agentes, pois ela realmente consegue mapear boa parte da semântica da linguagem Tropos para a linguagem AORML. Começar a modelagem de um sistema em Tropos nos proporciona um alto nível de abstração que é muito útil para a captura de conceitos e relacionamentos sob o ponto de vista orientado à agentes. Modelos AORML provindos de modelos Tropos preservam implicitamente uma semântica de dependência de objetivos que poderia não ser alcançada

31 se fossem construídos inicialmente em AORML. Desse modo, a passagem para um nível mais baixo de abstração, na construção de modelos em AORML, é conseguida de uma forma simples, quando baseada em um modelo Tropos. Em geral, passamos por algumas dificuldades relativas ao entendimento desse novo paradigma de modelagem e no aprendizado/utilização das linguagens Tropos/AORML, mas esperamos que essas dificuldades tenham sido superadas e que nosso trabalho não deixe a desejar. As propostas que faríamos às linguagens seriam: Tropos: Prover uma semântica formal para a ordenação de tarefas. AORML: No diagrama AD: Prover estereótipos mais significativos aos agentes e relacionamentos mais refinados que os da UML. Em suma, recomendaríamos uma total conciliação com a linguagem OntoUML, criada em (guizzardi, 2005). No diagrama ISD: Prover uma maneira menos extensa de representação, uma que não necessitasse de representar todas as possíveis situações em diagramas distintos de instâncias; e não restringir o cumprimento de compromissos ao envio de mensagens, pois pensamos que um compromisso pode ser cumprido com a percepção de uma mudança de estado do sistema Uso das Ferramentas de Modelagem A) TAOM4E Consideramos o plugin TAOM4E satisfatório, mas temos algumas sugestões de mudança: Deveria ser permitido o uso de nomes repetidos; Ao deletar um elemento com a tecla Delete do teclado, deveria se acionada a ação equivalente ao clique com o botão direito do mouse e seleção de Dispose from model e não Delete, pois Dispose from model é a ação mais comumente utilizada, e como só temos acesso ao modelo pelo editor gráfico, a ação Delete não faz sentido; Deveria ser feito algum tipo de validação que ajudasse a analise do equilíbrio de dependências. B) MS Visio com Template AORML

32 As reservas que temos em relação à esse template é que ele é utilizado pelo MS Visio, que não é uma ferramenta gratuita e é cheio de bugs bastante irritantes. Para usuários exclusivos de sistemas Unix, utilizar um programa cuja licença é onerosa e que só funciona no Windows é realmente um problema. Esse template deveria ser transformado em um template compatível com o editor Dia, um ótimo editor de diagramas para Linux, Win32 e Irix 6.5. O ideal seria que existisse um editor gráfico para AORML que apoiasse todas as etapas de modelagem e provesse verificação sintática do modelo.