Algorithmic investigations of the dynamics of species interactions - TEL - Thèses en ligne Access content directly
Theses Year : 2021

Algorithmic investigations of the dynamics of species interactions

Investigations algorithmiques des interactions inter-espèces

Abstract

To understand the dynamics of interaction between groups of species, for example, in a hosts/parasites (or hosts/symbionts) system, it is essential to consider the process of coevolution. The cophylogeny reconciliation model formulates the coevolution question as an optimization problem. The set of optimal solutions represents different scenarios of coevolution which need to be analyzed separately. The main result of this thesis is a novel approach that addresses the issue of the often huge number of optimal solutions which makes it difficult to analyze the results. We introduce several biologically motivated equivalence relations, each one splitting the solution space into equivalence classes. We propose polynomial-delay algorithms that enumerate the equivalence classes, and the representative solutions, i.e., the solutions taken from each equivalence class. Experimental results are then presented to illustrate the practical benefits of considering equivalence classes as a means of efficiently exploring the solution space of cophylogeny reconciliation. Based on the algorithmic results, a software called Capybara has been developed as a practical tool for analyzing cophylogeny datasets. More generally, in the area of enumeration algorithms, the problem of efficiently enumerating representative solutions is of theoretical importance. In the second part of this thesis, we provide a general framework for the enumeration of the equivalence classes of solutions for a family of optimization problems. We show that this framework can be applied to various dynamic programming problems, of which the cophylogeny problem is a special case.
Pour comprendre la dynamique d'interactions entre des groupes d'espèces, par exemple, dans un contexte hôtes-parasites, il est primordial d'étudier le processus de coévolution. La réconciliation cophylogénétique est un modèle qui traduit la reconstruction de l'histoire coévolutive en un problème d'optimisation combinatoire. L'ensemble des solutions optimales, qui représentent des scénarios coévolutifs différents, peut avoir une taille considérable, rendant l'analyse des résultats difficile. Le résultat principal de cette thèse porte sur une nouvelle méthode qui permet d'explorer l'espace de solutions de manière efficace. D'abord, je définis des relations d'équivalence et propose des algorithmes d'énumération qui produisent la liste des solutions représentatives, c'est-à-dire des solutions appartenant à chacune des classes d'équivalence. Ensuite, je présente des résultats expérimentaux et montre que l'analyse des classes d'équivalence aide à mieux étudier des jeux de données biologiques. Basé sur nos résultats algorithmiques, un logiciel appelé Capybara a été développé comme un nouvel outil pratique pour l'analyse cophylogénétique. Plus généralement, l'énumération des classes d'équivalence des solutions est un problème théorique important. Dans la seconde partie de la thèse, je présente un cadre général au sein duquel l'énumération efficace des classes d'équivalence est possible. Je propose un algorithme qui énumère les classes d'équivalence des solutions pour une famille de problèmes, en particulier, des problèmes où s'applique la technique de programmation dynamique.
Fichier principal
Vignette du fichier
TH2021WANGYISHU.pdf (2.05 Mo) Télécharger le fichier
Origin : Version validated by the jury (STAR)

Dates and versions

tel-03499342 , version 1 (21-12-2021)
tel-03499342 , version 2 (04-04-2022)

Identifiers

  • HAL Id : tel-03499342 , version 2

Cite

Yishu Wang. Algorithmic investigations of the dynamics of species interactions. Bioinformatics [q-bio.QM]. Université de Lyon, 2021. English. ⟨NNT : 2021LYSE1196⟩. ⟨tel-03499342v2⟩
166 View
142 Download

Share

Gmail Facebook X LinkedIn More