Individual-based modelling of bacterial cultures in the study of the lag phase

• Autores: Clara Prats Soler
• Directores de la Tesis: Antoni Giró i Roca (dir. tes.), Daniel López Codina (dir. tes.)
• Lectura: En la Universitat Politècnica de Catalunya (UPC) ( España ) en 2008
• Idioma: inglés
• Tribunal Calificador de la Tesis: Josep Vives Rego (presid.), Marta Ginovart Gisbert (secret.), Jan Van Impe (voc.), Jorge Wagensberg (voc.), Kristel Bernaerts (voc.)
• Materias:
  • Matemáticas
    • Ciencia de los ordenadores
      • Simulación
  • Ciencias de la vida
    • Biofísica
    • Microbiología
• Enlaces
  • Tesis en acceso abierto en: TDX
• Resumen

  • La microbiologia predictiva és una de les parts més importants de la microbiologia dels aliments. En el creixement d'un cultiu bacterià es poden observar quatre fases: latència, exponencial, estacionària i mort. La fase de latència té un interès específic en microbiologia predictiva; al llarg de dècades ha estat abordada des de dues perspectives diferents: a nivell cel·lular i intracel·lular (escala microscòpica), i a nivell de població (escala macroscòpica). La primera estudia els processos que tenen lloc a l'interior dels bacteris durant la seva adaptació a les noves condicions del medi, com els canvis en l'expressió gènica i en el metabolisme. La segona descriu l'evolució de la població bacteriana per mitjà de models matemàtics continus i d'experiments que avaluen variables relacionades amb la densitat cel·lular. L'objectiu d'aquest treball és millorar la comprensió de la fase de latència dels cultius bacterians i dels fenòmens intrínsecs a la mateixa. Aquest objectiu s'ha abordat amb la metodologia Individual-based Modelling (IbM) amb el simulador INDISIM (INDividual DIScrete SIMulation), que ha calgut optimitzar. La IbM introdueix una perspectiva mecanicista a través de la modelització de les cèl·lules com a unitats bàsiques. Les simulacions IbM permeten estudiar el creixement d'entre 1 i 106 bacteris, així com els fenòmens que emergeixen de la interacció entre ells. Aquests fenòmens pertanyen al que anomenem escala mesoscòpica. Aquesta perspectiva és imprescindible per entendre l'efecte en la població dels processos d'adaptació individuals. Per tant, la metodologia IbM és un pont entre els individus i la població o, el que és el mateix, entre els models a escala microscòpica i a escala macroscòpica.En primer lloc hem estudiat dos dels diversos mecanismes que poden causar la fase de latència: inòculs amb massa mitjana petita, i canvis de medi.S'ha verificat també la relació de la durada de la latència amb variables com la temperatura o la grandària de l'inòcul. En aquest treball s'ha identificat la distribució de biomassa del cultiu com una variable cabdal per analitzar l'evolució del cultiu durant el cicle de creixement. S'han definit les funcions matemàtiques que anomenem distàncies per avaluar quantitativament l'evolució d'aquesta distribució.Hem abordat, també, la fase de latència des d'un punt de vista teòric. L'evolució de la velocitat de creixement al llarg del cicle ha permès distingir dues etapes en la fase de latència que anomenem inicial i de transició. L'etapa de transició s'ha descrit per mitjà d'un model matemàtic continu validat amb simulacions INDISIM. S'ha constatat que la fase de latència ha de ser vista com un procés dinàmic, i no com un simple període de temps descrit per un paràmetre. Les funcions distància també s'han utilitzat per avaluar les propietats del creixement balancejat.Alguns dels resultats de les simulacions amb INDISIM s'han corroborat experimentalment per mitjà de citometria de flux. S'ha comprovat, al llarg de les diverses fases del creixement, el comportament de la distribució de biomassa previst per simulació, així com l'evolució de les funcions distància. La coincidència entre els resultats experimentals i els de simulació no és trivial, ja que el sistema estudiat és molt complex. Per tant, aquests resultats permeten comprovar la bondat de la metodologia INDISIM.Finalment, hem avançat en l'optimització d'eines per parametritzar IbMs, un pas essencial per poder utilitzar les simulacions INDISIM de manera quantitativa. S'han adaptat i assajat els mètodes grid search, NMTA i NEWUOA. Aquest darrer mètode ha donat els millors resultats en termes de temps, mantenint una bona precisió en els valors òptims dels paràmetres. Per concloure, podem afirmar que INDISIM ha estat validat com una bona eina per abordar l'estudi dels estats transitoris com la fase de latència.