Aplicação da técnica da transformada integral generalizada e do método de Monte Carlo via cadeia de Markov na dinâmica de transporte de massa e cinética em biossensores SPR

dc.contributor.advisor1QUARESMA, João Nazareno Nonato
dc.contributor.advisor1Latteshttp://lattes.cnpq.br/7826389991864785
dc.contributor.advisor1ORCIDhttps://orcid.org/0000-0001-9365-7498
dc.contributor.memberMACÊDO, Emanuel Negrão
dc.contributor.memberPONTES, Péricles Crisiron
dc.contributor.memberVIEGAS, Bruno Marques
dc.contributor.memberCOTTA, Renato Machado
dc.contributor.member1Latteshttp://lattes.cnpq.br/8718370108324505
dc.contributor.member1Latteshttp://lattes.cnpq.br/4114994248612791
dc.contributor.member1Latteshttp://lattes.cnpq.br/1196600058247902
dc.contributor.member1Latteshttp://lattes.cnpq.br/2974805638656106
dc.contributor.member1ORCID*******
dc.contributor.member1ORCIDhttps://orcid.org/0000-0002-1787-9344
dc.contributor.member1ORCIDhttps://orcid.org/0000-0002-2768-652X
dc.contributor.member1ORCIDhttps://orcid.org/0000-0003-0965-0811
dc.creatorMOURA, Carlos Henrique Rodrigues de
dc.creator.Latteshttp://lattes.cnpq.br/3965235559226123
dc.creator.ORCIDhttps://orcid.org/0000-0002-1407-3089
dc.date.accessioned2026-06-24T15:01:38Z
dc.date.available2026-06-24T15:01:38Z
dc.date.issued2026-04-30
dc.description.abstractThe study of biomolecular interactions is essential for biology and pharmacology, with Surface Plasmon Resonance (SPR) biosensors serving as gold-standard tools due to their real-time, label-free detection capabilities. However, the precise and accurate analysis of kinetic constants from raw data is often hindered by mass transport limitations (MTL) and the intrinsic complexity of surface reactions. To address this challenge, this thesis proposes an innovative hybrid approach for mathematical modeling and parameter estimation in SPR biosensors, combining numerical-analytical methods and stochastic inference. To solve the direct problem, mathematical models based on convectiondiffusion partial differential equations coupled with surface reactions were formulated. The thesis expands upon traditional approaches by analyzing three interaction mechanisms: the 1:1 Langmuir binding model, the sequential two-site binding model (for bivalent analytes), and the competitive binding model (two analytes competing for a single site). These systems were solved using the Generalized Integral Transform Technique (GITT). The method's performance was verified through comparison with the Method of Lines (MoL) and literature data, revealing that GITT ensures automatic error control, high accuracy, and remarkable computational efficiency compared to purely numerical approaches. For the inverse problem, the research applied Bayesian statistical inference via the Markov Chain Monte Carlo (MCMC) method, employing the Metropolis-Hastings algorithm. This method was used to estimate the kinetic parameters of association and dissociation. Initial code verification was performed using simulated data corrupted by Gaussian noise, where the Markov chains converged to the exact values. Subsequently, the model was validated with real experimental data of the interaction between the SARS-CoV-2 spike protein (RBD) (wild-type and chimeric) and the human ACE2 enzyme. The methodology estimated the kinetic parameters in good agreement with the literature, demonstrating that the chimeric variant has a higher binding affinity. In conclusion, the framework integrating GITT and MCMC fills an important gap in SPR analysis. It enables the accurate evaluation of complex molecular interactions under transport limitations and provides full posterior distributions and rigorous uncertainty quantification, resulting in highly reliable diagnoses and kinetic interpretations
dc.description.affiliationUFPA - Universidade Federal do Pará
dc.description.resumoO estudo das interações biomoleculares é essencial para a biologia e a farmacologia, sendo os biossensores de Ressonância de Plásmons de Superfície (SPR) ferramentas de referência devido à sua capacidade de detecção em tempo real e sem o uso de marcadores (label-free). No entanto, a análise precisa e acurada das constantes cinéticas a partir de dados brutos é frequentemente dificultada por limitações de transporte de massa (MTL) e pela complexidade intrínseca das reações na superfície do sensor. Diante deste desafio, a presente tese propõe uma abordagem híbrida inovadora para a modelagem matemática e a estimação de parâmetros em biossensores SPR, unindo métodos numérico-analíticos e inferência estocástica. Para a resolução do problema direto, foram formulados modelos matemáticos baseados em equações diferenciais parciais de convecção-difusão acopladas à reação de superfície. A tese expande as abordagens tradicionais e analisa três mecanismos de interação: o modelo de ligação de Langmuir 1:1, o modelo de ligação sequencial em dois sítios (para analitos bivalentes) e o modelo de ligação competitiva (dois analitos competindo por um mesmo sítio). Tais sistemas foram resolvidos com a Técnica da Transformada Integral Generalizada (GITT). O desempenho do método foi verificado por comparação com o Método das Linhas (MoL) e com dados da literatura, revelando que a GITT garante controle automático de erro, alta precisão e notável eficiência computacional frente a abordagens puramente numéricas. Para o problema inverso, a pesquisa aplicou a inferência estatística bayesiana via método de Monte Carlo por Cadeias de Markov (MCMC), utilizando o algoritmo de Metropolis-Hastings. Este método foi empregado para estimar os parâmetros cinéticos de associação e dissociação. A verificação inicial dos códigos foi realizada com dados simulados corrompidos por ruído gaussiano, nos quais as cadeias de Markov convergiram para os valores exatos. Posteriormente, o modelo foi validado com dados experimentais reais da interação entre a proteína spike (RBD) do SARS-CoV-2 (tipos selvagem e quimérico) e a enzima humana ACE2. A metodologia estimou os parâmetros cinéticos em boa concordância com a literatura, demonstrando que a variante quimérica possui maior afinidade de ligação. Conclui-se que o arcabouço integrando GITT e MCMC preenche uma importante lacuna na análise de SPR. Ele possibilita a avaliação precisa de interações moleculares complexas sob limitação de transporte, além de fornecer distribuições completas a posteriori e quantificação rigorosa de incertezas, resultando em diagnósticos e interpretações cinéticas altamente confiáveis.
dc.description.sponsorshipCAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior
dc.identifier.citationMOURA, Carlos Henrique Rodrigues de. Aplicação da técnica da transformada integral generalizada e do método de Monte Carlo via cadeia de Markov na dinâmica de transporte de massa e cinética em biossensores SPR. Orientador: João Nazareno Nonato Quaresma. 2026. 213 f. Tese (Doutorado em Engenharia de Recursos Naturais da Amazônia) - Instituto de Tecnologia, Universidade Federal do Pará, Belém, 2026. Disponível em: https://repositorio.ufpa.br/handle/2011/18280. Acesso em:.
dc.identifier.urihttps://repositorio.ufpa.br/handle/2011/18280
dc.languageporpt_BR
dc.publisherUniversidade Federal do Parápt_BR
dc.publisher.countryBrasilpt_BR
dc.publisher.departmentInstituto de Tecnologiapt_BR
dc.publisher.initialsUFPApt_BR
dc.publisher.programPrograma de Pós-Graduação em Engenharia de Recursos Naturais da Amazôniapt_BR
dc.rightsAcesso Abertopt_BR
dc.source1 CD-ROMpt_BR
dc.subjectBiossensores Ópticos
dc.subjectLimitação de Transporte
dc.subjectEstimação de Parâmetros Cinéticos
dc.subjectMétodos Híbridos
dc.subjectInferência Bayesiana
dc.subjectOptical Biosensors, , ,,
dc.subjectMass Transport Limitation
dc.subjectKinetic Parameter Estimation
dc.subjectHybrid Methods
dc.subjectBayesian Inference
dc.subject.areadeconcentracaoUSO E TRANSFORMAÇÃO DE RECURSOS NATURAISpt_BR
dc.subject.cnpqCNPQ::ENGENHARIAS
dc.subject.linhadepesquisaMODELAGEM E SIMULAÇÃO DE PROCESSOS
dc.titleAplicação da técnica da transformada integral generalizada e do método de Monte Carlo via cadeia de Markov na dinâmica de transporte de massa e cinética em biossensores SPR
dc.title.alternativeApplication of the generalized integral transform technique and the Markov chain Monte Carlo method to mass transport dynamics and kinetics in SPR biosensors
dc.typeTesept_BR

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