Dynamics and biological information processing : from gene circuits to cellular populations

Abstract

Living beings strive to survive and reproduce. To do so they need to monitor and adapt to a dynamic environment, taking advantage of the opportunities and dodging the threats that they may encounter. This thesis is devoted to analyse, using a mathematical and computational approach, a variety of mechanisms of anticipation, adaptation, and resistance to changes in the external conditions. To do so, we have studied regulatory systems across different scales. First, we analysed the genetic circuit that controls the galactose utilization by Saccharomyces cerevisiae, which is composed by a small set of genes, with the goal of establishing the tools to explore the epistatic interactions of mutations within this system. Second, we propose a framework to understand how cellular regulatory networks, composed by hundreds or thousands of elements, can process time-dependent information in a state-dependent manner. Finally, we discovered and characterised the mechanism of growth oscillations in biofilms of Bacillus subtilis cells. We found that these oscillations are caused by the metabolic co-dependence between distant groups of cells, and are crucial to ensure the resistance of the colony to external aggressions.

Els éssers vius malden per sobreviure i reproduir-se. Per aconseguir-ho necessiten monitoritzar i adaptar-se a un ambient dinàmic, aprofitant les oportunitats i esquivant les amenaces que els sobrevenen. L’objectiu d’aquesta tesis ha estat analitzar, mitjançant eines matemàtiques i computacionals, alguns dels mecanismes cel lulars d’anticipació, adaptació i resistència a canvis en el medi. Per fer-ho hem estudiat sistemes de regulació en diferents escales. En primer lloc, hem analitzat el circuit genètic, format per uns pocs gens, que controla el consum de galactosa per part de Saccharomyces cerevisiae, i hem desenvolupat les eines necessàries per explorar les interaccions epistàtiques entre mutacions dins aquest sistema. En segon lloc, proposem un marc teòric per explicar com les xarxes de regulació cel lular, que consten de centenars o milers d’elements, poden processar informació temporal codificant-la en la seva pròpia dinàmica. Finalment, hem descobert i caracteritzat el mecanisme d’oscil lacions en el creixement de biofilms de Bacillus subtilis. Aquestes oscil lacions són conseqüència de l’acoblament metabòlic entre regions distants del biofilm, i juguen un paper crucial per assegurar la resistència de la colònia a agressions externes.