Individual-based modelling of bacterial cultures to study the lag ohase

Els bacteris són la forma dominant de vida del planeta: poden sobreviure en medis molt adversos, i en alguns casos poden generar substàncies que quan les ingerim ens són tòxiques. La seva presència en els aliments fa que la microbiologia predictiva sigui un camp imprescindible en la microbiologia dels aliments per garantir la seguretat alimentària. Un cultiu bacterià pot passar per quatre fases de creixement: latència, exponencial, estacionària i de mort. En aquest treball s’ha avançat en la comprensió dels fenòmens intrínsecs a la fase de latència, que és de gran interès en l’àmbit de la microbiologia predictiva. Aquest estudi, realitzat al llarg de quatre anys, s’ha abordat des de la metodologia Individual-based Modelling (IbM) amb el simulador INDISIM (INDividual DIScrete SIMulation), que ha estat millorat per poder fer-ho. INDISIM ha permès estudiar dues causes de la fase de latència de forma separada, i abordar l’estudi del comportament del cultiu des d’una perspectiva mesoscòpica. S’ha vist que la fase de latència ha de ser estudiada com un procés dinàmic, i no definida per un paràmetre. L’estudi de l’evolució de variables com la distribució de propietats individuals entre la població (per exemple, la distribució de masses) o la velocitat de creixement, han permès distingir dues etapes en la fase de latència, inicial i de transició, i aprofundir en la comprensió del que passa a nivell cel•lular. S’han observat experimentalment amb citometria de flux diversos resultats previstos per les simulacions. La coincidència entre simulacions i experiments no és trivial ni casual: el sistema estudiat és un sistema complex, i per tant la coincidència del comportament al llarg del temps de diversos paràmetres interrelacionats és un aval a la metodologia emprada en les simulacions. Es pot afirmar, doncs, que s’ha verificat experimentalment la bondat de la metodologia INDISIM.

Mathematical description of bacterial traveling pulses

The Keller-Segel system has been widely proposed as a model for bacterial waves driven by chemotactic processes. Current experiments on E. coli have shown precise structure of traveling pulses. We present here an alternative mathematical description of traveling pulses at a macroscopic scale. This modeling task is complemented with numerical simulations in accordance with the experimental observations. Our model is derived from an accurate kinetic description of the mesoscopic run-and-tumble process performed by bacteria. This model can account for recent experimental observations with E. coli. Qualitative agreements include the asymmetry of the pulse and transition in the collective behaviour (clustered motion versus dispersion). In addition we can capture quantitatively the main characteristics of the pulse such as the speed and the relative size of tails. This work opens several experimental and theoretical perspectives. Coefficients at the macroscopic level are derived from considerations at the cellular scale. For instance the stiffness of the signal integration process turns out to have a strong effect on collective motion. Furthermore the bottom-up scaling allows to perform preliminary mathematical analysis and write efficient numerical schemes. This model is intended as a predictive tool for the investigation of bacterial collective motion.