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5 Planification d'expériences

Construire un plan d'expérience en biologie consiste généralement à déterminer un ensemble d'objets qui seront utilisés dans le cadre d'une expérience et à construire un ordre d'utilisation entre ces objets. La représentation et la résolution de ce type de problème a été envisagée pour la première fois avec une optique << Satisfaction de contraintes >> en 1981 [ Ste 81] dans le cadre du projet MOLGEN pour la planification d'expérience de clonage de gènes dont l'objectif est d'utiliser des bactéries en tant que systèmes biologiques de reproduction pour synthétiser un produit protéique connu. Cependant, MOLGEN est avant tout un système développé pour tester des approches du raisonnement autour des problèmes de conception. S'appuyant sur une approche hiérarchique de la planification, les contraintes et variables du problème apparaissent en cours de construction du plan. Les variables représentent les éléments d'une expérience dont la valeur doit être déterminée au cours de la conception du plan d'expérience. Les contraintes expriment des limitations sur les façons dont on peut choisir ces éléments en fonction de l'objectif de l'expérience.

Plus récemment, l'aide à la planification d'expérience a été envisagée dans le cadre CSP pour la synthèse de peptides [ Jan 90b, Jan 90a]. C'est cette approche que nous avons choisi de présenter de manière plus détaillée.

La synthèse peptidique a pour but de produire des peptides c'est-à-dire des enchaînements d'acides aminés qui forment la base structurale de nombreux composés ayant des propriétés biologiques particulières. Le problème s'énonce de la manière suivante : << déterminer les acides aminés et l'enchaînement des réactions chimiques permettant la fabrication d'un peptide donné >>.

Dans [ Jan 90b], le modèle de synthèse peptidique ne tient pas compte de la structure fine (composition atomique, nature des liaisons inter-atomiques) des peptides pour construire le plan. Les schémas de réaction sont connus a priori. Il faut déterminer la liste des réactifs chimiques à utiliser pour rendre opérationnelle une séquence de ces schémas.

Ce problème est traité comme un problème de conception d'objet, pour lequel on connaît a priori la structure et les valeurs de certains sous-objets. Les auteurs ont mis en évidence deux types de contraintes. Les contraintes dites de validité permettent de garantir qu'un plan est valide mais le nombre de plans générés est souvent prohibitif et d'intérêt chimique variable. Pour réduire le nombre de plans et aller dans le sens de l'intérêt d'un utilisateur, des contraintes de préférence, permettant de traduire la notion définie de manière très incomplète de << plan pertinent >> (coût des produits utilisés, facilité de réalisation, pureté du produit obtenu,...) sont définies.

Ce problème est formulé dans le cadre des CSP dynamiques. Il consiste à traiter une séquence de CSP () dont le premier CSP () comporte l'ensemble des contraintes de validité et les suivants résultent de l'ajout/retrait de contraintes de préférence par l'utilisateur. Les CSP formulés sont construits ainsi:

variables :

elles sont connues a priori ; chaque variable est associée à un objet chimique (agent déprotecteur, groupe fonctionnel à une certaine étape) ;

valeurs :

elles correspondent au type d'objet représenté par la variable ;

contraintes :

les contraintes de validité correspondent à la description des effets des opérations ainsi qu'à leurs conditions d'applicabilité ; pour les contraintes de préférence, voir ci-dessus.

Un plan pertinent peut être obtenu à partir d'un plan valide par ajout incrémental de contraintes de préférence. Le système a pour rôle de gérer, à chaque étape, l'ensemble des contraintes qui portent sur le plan en cours de construction.

Pour un peptide de longueur L, le nombre de variables du CSP associé est de l'ordre de . La taille moyenne d'un domaine étant 10, la taille de l'espace de recherche peut être évaluée grossièrement à . Le nombre de plans différents valides, pertinents ou non, peut être très important (les auteurs mentionnent une trentaine de plans pour des peptides de longueur 5) et diffère selon le peptide.

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