Modeling and analyzing the kinetic of conjugative plasmids

Prestes García, Antonio (2017). Modeling and analyzing the kinetic of conjugative plasmids. Tesis (Doctoral), E.T.S. de Ingenieros Informáticos (UPM). https://doi.org/10.20868/UPM.thesis.48793.

Descripción

Título: Modeling and analyzing the kinetic of conjugative plasmids
Autor/es:
  • Prestes García, Antonio
Director/es:
  • Rodríguez-Patón Aradas, Alfonso
Tipo de Documento: Tesis (Doctoral)
Fecha: 2017
Materias:
Escuela: E.T.S. de Ingenieros Informáticos (UPM)
Departamento: Inteligencia Artificial
Licencias Creative Commons: Reconocimiento - Sin obra derivada - No comercial

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Resumen

La conjugación bacteriana, a pesar de la gran cantidad de información disponible sobre sus aspectos moleculares, todavía no dispone de una forma sistémica estructurada que esté completamente establecida y que además pueda permitir una aproximación en cierto modo estándar a las tareas de construcción de modelos y su simulación computacional. Consecuentemente, ese estado de cosas implica que el modelado de la conjugación sea normalmente complicado, repetitivo, poco fiable y extremamente difícil de ser reproducido por diferentes grupos de investigación. Usando una metáfora computacional, se podría decir que el modelado de la conjugación bacteriana se encuentra en una etapa similar a la era anterior a la programación estructurada haciendo de la comprensión de cualquier implementación en particular, una tarea bastante complicada además de impedir la comparación directa de resultados generados por distintos modelos. Todo ello, obviamente obstaculiza bastante el avance en el aprovechamiento de la conjugación bacteriana como una herramienta para la realización de tareas computacionales a través del uso de los plásmidos como código móvil. Incluso una cuestión tan fundamental sobre cómo se debería representar el proceso de la conjugación en un modelo basado en individuos, todavía necesita ser respondida. El problema empeora por el hecho de que los grupos de investigación en biología sintética normalmente tiene una base formativa diversa y son interdisciplinares por su naturaleza de modo que es complicado producir una visión homogénea sobre la cuestión debido principalmente a que investigadores de diferentes dominios del conocimiento emplean un vocabulario distinto y disponen de un marco mental distinto para definir el proceso bajo escrutinio. Disponer de una visión sistémica de cualquier tipo de procesos es normalmente más que una suma simple del conocimiento acumulado sobre las partes del mismo, cosa que en el caso particular de este trabajo se corresponde a la descripción molecular y los aspectos relacionados con la fisiología del ciclo de vida bacteriano. La acción de generar una representación abstracta para el modelado de un sistema es lo que proporciona la visión holística de sistema permitiendo colocar el foco en un punto concreto del sistema, pero siempre contemplando la globalidad por lo menos de aquellos aspectos más significativos. El formalismo de modelado empleado, en sí mismo, para la captura de las propiedades del sistema impone los límites de lo que puede ser estudiado, observado y las cuestiones que se pueden responder con un determinado modelo. Este es precisamente uno de los aspectos más interesantes del modelado basado en individuos que obliga a que en el modelado se tenga en cuenta los detalles internos de la entidad que está siendo representada además de las restricciones temporales y el orden de los eventos. Eso proporciona bastante más información y permite conjeturar muchas más hipótesis sobre la estructura interna de cada célula individual comparándolo con modelos basados en ecuaciones diferenciales. En esta tesis introducimos un modelo basado en individuos para el proceso de la conjugación bacteriana que tiene como punto central el enlace que existe, de forma plausible, entre ciclo celular bacteriano y el instante temporal en el que la transferencia conjugativa es más susceptible de ocurrir. El modelo ha sido validado comparando los indicadores producidos como salida del modelo con los resultados experimentales de la cinética conjugativa de diferentes tipos de plásmidos. Adicionalmente, el modelo ha sido evaluado usando la metodología conocida como análisis de la sensibilidad global que permite alcanzar una mejor comprensión de la incertidumbre en los parámetros del modelo y el efecto de las formas alternativas de representar los eventos de la transferencia genética horizontal. El análisis que se ha ejecutado parece soportar que se asuma que la dinámica de la conjugación está dominada por el parámetro que representa en momento temporal en que el evento conjugativo tiene lugar. Esa conclusión se asienta sobre dos puntos fundamentales: Uno de ellos es el hecho de que entre las tres diferentes implementaciones realizadas, la que mejor se ajusta a los datos experimentales es la que tiene en cuenta el ciclo celular. El segundo punto es el análisis de la sensibilidad realizado, cuyos resultados apuntan a ese parámetro como significativo. En el desarrollo de esta tesis hemos implementado el simulador BactoSIM usando el entorno Repast además los paquetes para GNU R, EvoPER y R/Repast para la ejecución de los experimentos. Estos módulos tienen un carácter general y facilitan la realización de experimentos y análisis complejos de forma sencilla. Todo el software creado en este trabajo está disponible como software libre. Como contribución más general este trabajo puede servir a otros como guía para la implementación de un análisis sistémico de los modelos basados en individuos. ----------ABSTRACT---------- The bacterial conjugation, despite of the amount of molecular information available about its molecular aspects, does not have yet a well-established and structured systemic form which could allow a standard approach to the model building and the computational simulation task. This state of things implies that the modeling task are normally hard, repetitive, unreliable and extremely difficult to reproduce elsewhere by other research groups. Using a computational metaphor, we could state that bacterial conjugation is in a pre-structured programing era which makes the understanding of any particular implementation a very hard task and it also prevents the comparison of results from other models. This obviously hinders a leap forward in the use of the bacterial conjugation as a tool for doing computations with plasmid with plasmid encode mobile code. Even a very basic question, such as how should the conjugation process be represented in an individual-based model is still waiting for being answered. The problem also gets worst because the different backgrounds of synthetic biology research groups, which are interdisciplinary in their very nature, making hard to produce a homogenous view about the question mainly owing to the fact that the people from different domains use different vocabulary and have a different mental framework for understanding the process under study. The systemic view for any kind of process is much more than a simple accumulation of knowledge about system parts, which in the particular case of conjugation, is represented by the molecular and physiological aspects of bacterial life cycle. The action of generating an abstract representation modeling a system is what provides an holistic systemic view allowing to put focus on a precise point of the system but always taking into account the totality of the significant aspects. The modeling formalism itself for capturing the system properties also imposes limitations on the what can be observed or studied. In other words, the focus and the questions which can be answered are somehow dependent on the granularity of the modeling formalism. That is one of the greatest beauties of the individual-based formalism which forces the modeler to be concerned on the internal details of the entity being modeled as well as the time constraints and the order of the events. These factors provide much more information and allow to make conjectures about the internal structure of individual bacterial cells when compared, for instance, to an ordinary differential equation model which can only expose the whole-population properies. In this thesis, we introduce an individual-based model for the conjugation process using, as the central point, the plausible link between the bacterial cell cycle and the time when the conjugative event is most likely to happen. The model was validated comparing the simulation outputs with the experimental data for different types of plasmids. Additionally, the model was assessed using the global sensitivity analysis methodology for providing a better understanding about the parameter uncertainty and the alternative model structures for representing the horizontal genetic transfer event. The thorough analysis seems to support the assumption that the conjugation dynamics is dominated by the parameter representing the time when the lateral gene transfer takes place. This conclusion is settled over two fundamental aspects. The first is related to the fact that, among the possible representations with respect to the temporal aspects, the best fit to the experimental data is achieved by the logic which takes into account the cell cycle. The second point is the sensitivity analysis which also indicates this parameter as significant. During the development of this thesis we had implemented the individualbased mode BactoSIM using the Repast framework. We had also implemented the GNU R packages EvoPER and R/Repast for the experimental setup and analysis. The tools developed for this work are available as opensource software. Moreover, a lateral contribution of this work is serving as a guide for other modelers in the systematic evaluation of their models.

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ID de Registro: 48793
Identificador DC: http://oa.upm.es/48793/
Identificador OAI: oai:oa.upm.es:48793
Identificador DOI: 10.20868/UPM.thesis.48793
Depositado por: Archivo Digital UPM 2
Depositado el: 16 Ene 2018 11:27
Ultima Modificación: 16 Ene 2018 11:27
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