Modelling spatiotemporal cell regulation

Abstract

In this Thesis we have studied how dynamics and space modulate cellular behaviour, by means of mathematical modelling of particular biological examples. At the single cell level, we show how pulsatile input signals can be decoded by downstream targets with an appropriate circuit architecture and response timescales. Regarding pulse generation, we show that stochastic pulses of protein activity can arise from a perturbation amplified by negative feedback. Beyond a single cell, we propose that oscillations in bacterial communities emerge from glutamate limitation in the biofilm centre that is transmitted by potassium signalling throughout the community, and can be conceptualised in terms of a subcritical Hopf bifurcation. Moreover, pairs of biofilms synchronise their dynamics resulting into a nutrient timesharing strategy. Finally, we propose that the contact area of cell-cell interactions modifies cell fate outcomes in the context of Drosophila midgut homeostasis.

En aquesta Tesi hem estudiat com la dinàmica i l’espai modulen el comportament cel·lular, mitjançant models matemàtics de diversos exemples biològics. A nivell de cèl·lules individuals, mostrem que senyals polsàtils poden ser interpretats per les corresponents dianes intracel·lulars gràcies a circuits amb arquitectures i escales temporals de resposta adequades. Pel que fa a la generació de polsos, mostrem que polsos estocàstics poden produir-se a partir de l’amplificació d’una pertorbació mitjançant interaccions de retroalimentació negativa. Més enllà de cèl·lules individuals, proposem que oscil·lacions en comunitats bacterianes emergeixen de la limitació de glutamat al centre del biofilm, transmesa per senyalització per potassi a través de la comunitat, i que poden ser conceptualitzades en termes d’una bifurcació de Hopf subcrítica. A més a més, parelles de biofilms sincronitzen la seva dinàmica, donant lloc a un fenomen de compartició de recursos en el temps. Finalment, proposem que l’àrea de contacte entre cèl·lules modifica el destí cel·lular en el context de l’homeòstasi intestinal de Drosophila.