Models computacionals basats en l'individu per a tractar amb el creixement microbià no planctònic

Abstract

Traditionally, microbiology kinetic models tried to reproduce and predict the macroscopic dynamics of microorganisms culture in planktonic mediums, liquid and homogeneous systems. There are also systems which have a semisolid or solid and heterogeneous structure, non-planktonic mediums, in instance in food or environmental contexts, where microorganisms grow unevenly forming colonies. Each of these individual colonies shows a different behaviour from the other ones as a result of local competition between individuals of each colony, mainly, and end the effects generated by products that are excreted locally. Because of this fact, traditional models lose all sense when they study a non-planktonic system. To allow a suitable model, incorporating local competition for resources, the effect of local concentrations of products and differences and interactions between individual cells, it is interesting to focus it to the individual based modelling. This kind of models are computational, they necessarily have to be implemented and executed in a convenient computing environment to obtain and analyse the simulated results. In this work it has been investigated this type of model in the context of microbial growth in semisolid and heterogeneous surfaces (bi-dimensional space) and in a three-dimensional space. A literature research has been made to know the different scientific publications in this field. Two published models have been chosen and used as basic references and specific sources of information to help with the design and parameterization of an individual based model, named INDISIM-Plate-NL, which allows dealing with non-planktonic growth of Escherichia coli K-12 GM1655 on a surface. This computational model has been implemented in the NetLogo platform, an open access programming environment for multi agent modelling. With this simulator, simulation results have been obtained in good agreement with published experimental and simulated results which are reference in the specific literature of this work. An adaptation of this simulator has been made to study the colony's growth submerged in a non-planktonic medium in a three-dimensional space (INDISIM-3D-NL). These simulators open interesting expectations that they have to allow future researches related to microbial growth in reduced mobility environments and heterogeneous, in an attractive perspective and being different from continuous models.

Tradicionalment, els models cinètics en microbiologia s'havien fet intentant reproduir i predir de manera fiable les dinàmiques macroscòpiques de cultius de microorganismes en medis planctònics, sistemes líquids i homogenis. Tot i això, existeixen sistemes que tenen una estructura semi-sòlida o sòlida i heterogènia, medis no planctònics, per exemple en contextos alimentaris o mediambientals, a on els microorganismes creixen de manera desigual formant colònies. Cadascuna d'aquestes colònies individuals mostra un comportament diferent de les altres com a conseqüència, principalment, de la competència local que existeix entre els individus de cada colònia i pels efectes que generen els productes que excreten localment. A causa d'aquest fet, els models tradicionals perden tot el sentit quan es disposen a estudiar un sistema no planctònic. Per a poder realitzar un model que incorpori la competència pels recursos locals, l'efecte de les concentracions locals de productes i les diferències i interaccions entre les cèl·lules individuals, és interessant donar-li un enfoc cap a la modelització basada en l'individu. Aquests tipus de models són computacionals, necessàriament han de ser implementats i executats en un entorn informàtic convenient per poder obtenir i analitzar els resultats simulats. En aquest treball s'ha investigat amb aquest tipus de model computacional en el context de creixement microbià en entorns semi-sòlids i heterogenis en superfície (espai bidimensional) i en un espai tridimensional. S'ha realitzat una recerca bibliogràfica per conèixer les diferents publicacions científiques en aquest àmbit. S'han escollit dos models publicats que han estat utilitzats com a referències fonamentals i fonts específiques d'informació que han ajudat en el disseny i parametrització d'un model basat en el individu que s'ha anomenat INDISIM-Plate-NL que permet tractar amb el creixement no planctònic del bacteri Escherichia coli K-12 GM1655 en superfície. Aquest model computacional s'ha implementat en la plataforma NetLogo, un entorn de programació específic per a la modelització multi-agent i d'accés lliure. Amb el simulador construït s'han obtingut resultats de simulació que estan en bona correspondència amb resultats experimentals i resultats simulats publicats i referenciats a la literatura específica d'aquest treball. S'ha fet una adaptació d'aquest simulador per estudiar el creixement de colònies submergides en medi no planctònic en un espai tridimensional (INDISIM-3D-NL). Aquests dos simuladors obren expectatives interessants que han de permetre realitzar futures investigacions relacionades amb el creixement microbià en entorns de mobilitat reduïda i heterogenis, des de una perspectiva atractiva i diferent de la dels models continus.

Tradicionalmente, los modelos cinéticos en microbiología se habían hecho intentando reproducir i predecir de forma fiable las dinámicas macroscópicas de cultivos de microorganismos en medios planctónicos, sistemas líquidos y homogéneos. Existen también, sistemas que tienen una estructura semisólida o sólida y heterogénea, medios no planctónicos, por ejemplo en contextos alimentarios o medioambientales, donde los microrganismos crecen de forma desigual formando colonias. Cada una de estas colonias individuales muestra un comportamiento distinto de las otras como consecuencia, principalmente, de la competencia local que existe entre los individuos de cada colonia y por los efectos que generan los productos que excretan localmente. A causa de este hecho, los modelos tradicionales pierden todo el sentido cuando se disponen a estudiar un sistema no planctónico. Para poder realizar un modelo adecuado, incorporando la competencia por los recursos locales, el efecto de las concentraciones locales de productos y las diferencias e interacciones entre las células individuales, es interesante darle un enfoque hacia la modelización basada en el individuo. Este tipo de modelos son computacionales, necesariamente tienen que ser implementados y ejecutados en un entorno informático conveniente para poder obtener y analizar los resultados simulados. En este trabajo se ha investigado con este tipo de modelo en el contexto de crecimiento microbiano en entornos semisólidos y heterogéneos en superficie (espacio bidimensional) y en un espacio tridimensional. Se ha realizado una recerca bibliográfica para conocer las distintas publicaciones científicas de este ámbito. Se han escogido dos modelos publicados que han estado utilizados como referencias fundamentales y fuentes específicas de información que han ayudado en el diseño y parametrización de un modelo basado en el individuo (INDISIM-Plate-NL) y que permite tratar con el crecimiento no planctónico de la bacteria Escherichia coli K-12 GM1655 en superficie. Este modelo se ha implementado en la plataforma NetLogo, un entorno de programación específica para la modelización multi-agente y de acceso libre. Con este simulador se han obtenido resultados de simulación que están con buena correspondencia con resultados experimentales y resultados simulados publicados y referenciados a la literatura específica de este trabajo. Se ha hecho una adaptación del simulador para estudiar el crecimiento de colonias sumergidas en medio no planctónico en un espacio tridimensional (INDISIM-3D-NL). Estos dos simuladores abren expectativa interesantes que tienen que permitir realizar futuras investigaciones relacionadas con el crecimiento microbiano en entornos de movilidad reducida y heterogéneos, des de una perspectiva atractiva y diferente de la de los modelos continuos.