Coupled Dynamical Processes in Bacteria

Author: Marta Dies
Title: Coupled Dynamical Processes in Bacteria.
Director: J. García-Ojalvo
Presentation date: October 10, 2015
Link to text: http://www.tdx.cat/handle/10803/401630

Abstract: L'objectiu d'aquesta Tesi és l'estudi de l'acoblament dinàmic entre processos cel·lulars, i de com aquest acoblament genera un comportament ben definit en presència de no-linealitats i soroll. Un funcionament cel·lular correcte depèn de la coordinació exquisida entre un gran nombre de processos dinàmics no lineals subjectes a fluctuacions, que s'esdevenen simultàniament dins la cèl·lula. Aquests tipus de processos dinàmics no tenen lloc de manera aïllada en una cèl·lula sinó que ocorren de manera simultània, essent per tant necessari establir l'origen i el grau de coordinació entre ells. Totes aquestes qüestions romanen encara sense resposta.A la Part I introduïm i motivem els dos tipus de dinàmiques cel·lulars que hem estudiat en aquesta Tesi. Dediquem la Part II als polsos d'expressió o activitat de proteïnes (Capítols 2 i 3), mentre que ens concentrem en les oscil·lacions periòdiques d'expressió de proteïnes a la Part III (Capítol 4). Concretament, en el Capítol 2 abordem la qüestió sobre com l'acoblament de certs senyals d'entrada afecten la resposta del circuit que regula la competència per a la incorporació d'ADN en Bacillus subtilis. En cèl·lules silvestres i sota determinades condicions d'estrès ambiental, s'ha determinat que l'estat de competència segueix una dinàmica de polsos estocàstics. Aquí estudiem com la resposta dinàmica del circuit de competència varia des de polsos excitables fins a la biestabilitat i les oscil·lacions, depenent de l'acció conjunta de les dues entrades acoblades aplicades al sistema. Els efectes fenotípics reportats en aquest Capítol són causats per canvis en el comportament dinàmic del circuit genètic subjacent. L'anàlisi d'estabilitat d'un model teòric del circuit de competència estableix els diferents règims dinàmics que pot exhibir el circuit, els quals estan quantitativament d'acord amb els resultats experimentals.Seguint amb dinàmiques de polsos, al Capítol 3 estudiem l'acoblament dinàmic entre polsos d'activitat de proteïnes en cèl·lules individuals. A aquest efecte, en col·laboració amb el laboratori del Prof. M. Elowitz de l'Institut de Tecnologia de Califòrnia, vàrem concentrar-nos en la família de factors sigma alternatius en B. subtilis. Els factors sigma són proteïnes que s'uneixen a l'ARN polimerasa de manera reversible, fent possible el reconeixement de promotors específics per part de l'holoenzim format. En aquest Capítol mostrem que diversos factors sigma alternatius presenten polsos estocàstics en la seva activació, i que aquests polsos competeixen per l'ARN polimerasa. A la llum d'aquests resultats proposem un nou mecanisme de repartiment, que anomenem en anglès ¿time-share¿, pel qual els factors sigma fan torns en el temps per utilitzar la majoria d'ARN polimerasa disponible. D'aquesta manera, només un o molt pocs factors sigma estarien actius simultàniament en una mateixa cèl·lula. També hem desenvolupat una sèrie de models matemàtics que revelen com els polsos i la competició afecten la distribució de l'ARN polimerasa.Al Capítol 4 estudiem com un oscil·lador genètic sintètic està acoblat a la replicació i la divisió cel·lular. Vam utilitzar l'oscil·lador sintètic desenvolupat per a Escherichia coli al laboratori del Prof. J. Hasty a la Universitat de Califòrnia San Diego. Mostrem com el cicle cel·lular bacterià és capaç d'entrenar parcialment les oscil·lacions sintètiques de manera consistent en condicions de creixement normal, tot dirigint la replicació periòdica dels gens involucrats en l'oscil·lador. També exposem que la sincronització entre els dos processos periòdics s'incrementa si l'oscil·lador sintètic es retroacobla al cicle cel·lular mitjançant l'expressió d'un inhibidor de la iniciació de la replicació. A més, hem desenvolupat un model computacional simplificat que confirma aquest efecte. Finalment, a la Part IV (Capítol 5) resumim i discutim els principals resultats presentats en aquesta Tesi, i suggerim direccions futures cap a on ampliar la recerca.