Resumen
Los conjuntos bacterianos son sistemas dinámicos complejos, y gracias la interacción que hay, las bacterias coexisten, colaboran, compiten intercambian información. El resultado de estas interconexiones hace que surjan propiedades que no pueden explicarse a partir de una sola célula aislada. Estos comportamientos se denominan propiedades emergentes del sistema. Algunas de las maneras que tienen de interactuar las bacterias son la detección de quórum o quorum sensing y la conjugación. El quorum sensing es un mecanismo que permite a las bacterias difundir una señal sobre el medio en el que se encuentran, y así modificar su comportamiento en función de la concentración que existe de esta señal. La conjugación es un tipo de operación que realizan las bacterias para intercambiarse material genético.
Las colonias de bacterias se encuentran en todos los ámbitos de la naturaleza. Desde el suelo, hasta el sistema digestivo de un animal. Hasta hace pocos años se creía que las bacterias no poseían habilidades sociales y que no se comunicaban con sus congéneres. Sin embargo, actualmente se conocen diferentes mecanismos de comunicación e interacción entre las bacterias, como por ejemplo, el quorum sensing y la conjugación. Las bacterias, toman decisiones por mayoría (quorum sensing) y se intercambian información importante, como por ejemplo, la resistencia a un antibiótico, mediante la denominada conjugación (transmisión de una hebra de ADN circular denominada plásmido).
El conocimiento actual de los bi ́logos sobre estos protocolos de comunicación es muy preciso, de manera que se pueden programar de manera artificial bacterias sintéticas, para que reciban y emitan las “señales” biológicas que nosotros deseemos. Es decir, el quorum sensing y la conjugación son actualmente dos herramientas que se pueden utilizar para programar bacterias sintéticas.
Los modelos de ecuaciones diferenciales ordinarias, permiten representar la difusión de un sistema homogéneo en donde todo se encuentra bien mezclado. Si además de la evolución del sistema se quiere tener en cuenta la disposición espacial se necesitarán herramientas más sofisticadas como son las ecuaciones diferenciales parciales. El cálculo de ecuaciones diferenciales parciales es muy costoso computacionalmente, con lo que se usan otras herramientas, como son los autómatas celulares, cuyo coste computacional es menor. Los autómatas celulares pueden ser determinísticos o estocásticos dependiendo de sus interacciones locales, además de continuos o discretos según el tratamiento que se le dé al espacio.
El planteamiento de esta tesis es el siguiente:
1. Definición e historia del quorum sensing y la conjugación.
2. Presentación de algunos experimentos reales sobre la conjugación.
3. Exposición de algunos modelos matemáticos de sistemas complejos bacterianos con conjugación.
4. Conclusión y futuro trabajo de investigación.
Los objetivos del documento son: estudiar y comprender los protocolos de comunicación en las colonias bacterianas, exponer ejemplos reales sobre el uso de la conjugación, y, dependiendo de las necesidades del observador, crear distintos modelos matemáticos o computacionales que simulen el mecanismo de la conjugación.
En biología de sistemas, es importante conocer cómo se comunican las bacterias para desarrollar futuros antibióticos que puedan atacar e interferir en los procesos de comunicación inter-bacterianos. En biología sintética, es valioso conocer los distintos protocolos de comunicación que existen, para poder diseñar circuitos genéticos a nivel de población. Circuitos distribuidos en una población de bacterias. Cada bacteria puede tener una parte del circuito global que está disperso entre toda la población. Es decir, tenemos un ordenador paralelo (cada bacteria es un procesador) en el que cada bacteria puede realizar un cálculo diferente con entradas distintas. Las bacterias se comunican para realizar cálculos globales. Arquitectura MIMD (Múltiple instrucción, múltiple dato).
