Modeling epigenetic evolutionary algorithms: An approach based on the epigenetic regulation process

Abstract

Many biological processes have been the source of inspiration for heuristic methods that generate high-quality solutions to solve optimization and search problems. This thesis presents an epigenetic technique for Evolutionary Algorithms, inspired by the epigenetic regulation process, a mechanism to better understand the ability of individuals to adapt and learn from the environment. Epigenetic regulation comprises biological mechanisms by which small molecules, also known as epigenetic tags, are attached to or removed from a particular gene, affecting the phenotype. Five fundamental elements form the basis of the designed technique: first, a metaphorical representation of Epigenetic Tags as binary strings; second, a layer on chromosome top structure used to bind the tags (the Epigenotype layer); third, a Marking Function to add, remove, and modify tags; fourth, an Epigenetic Growing Function that acts like an interpreter, or decoder of the tags located over the alleles, in such a way that the phenotypic variations can be reflected when evaluating the individuals; and fifth, a tags inheritance mechanism. A set of experiments are performed for determining the applicability of the proposed approach.

Muchos procesos biológicos han sido fuente de inspiración para métodos heurísticos que generan soluciones de alta calidad para resolver problemas de optimización y búsqueda. Esta tesis presenta una técnica epigenética para algoritmos evolutivos, inspirada en el proceso de regulación epigenética, un mecanismo para comprender mejor la capacidad de los individuos de adaptarse y aprender del entorno. La regulación epigenética comprende mecanismos biológicos mediante los cuales pequeñas moléculas, también conocidas como etiquetas epigenéticas, se adicionan o se eliminan de un gen en particular, afectando el fenotipo. Cinco elementos fundamentales forman la base de la técnica diseñada: primero, una representación metafórica de las etiquetas epigenéticas como cadenas binarias; segundo, una capa en la estructura superior del cromosoma utilizada para adicionar las etiquetas (Epigenotipo); tercero, una función de marcación para agregar, eliminar y modificar etiquetas; cuarto, una función de Crecimiento Epigenético que actúa como intérprete o decodificador de las etiquetas ubicadas sobre los alelos, de tal manera que las variaciones fenotípicas se pueden reflejar al evaluar a los individuos; y quinto, un mecanismo de herencia de etiquetas. Se realiza una serie de experimentos para determinar la aplicabilidad del enfoque propuesto.