Multiscale behavior in living systems

Abstract

This thesis focuses on the multiscale nature of the biological process that underpin the function of all living systems. A first project centers on the disease known as multiple sclerosis, and utilizes various datasets at different biological scales (genes, proteins, cells, and tissues) to better understand differences in clinical phenotype. The various datasets were connected into multiscale networks, and their dynamic behavior was simulated. Paths were identified describing the flow of information traveling from genes to proteins, cells, and tissues, up to the overall phenotype. A second project deals with how molecularly-regulated circadian rhythms are influenced by cell-driven mechanical inputs. The genetic network was modeled using a set of differential equations, and mechanical input was introduced through the influence of proteins that act as mechanotransducers. An increase in mechanical input causes a disruption of regular 24 hour cycles, which is observed experimentally. All studies presented here connect various biological scales together and study their dynamics.

Esta tesis se enfoca en la naturaleza multiescala de los procesos biológicos que subyacen en todos los sistemas vivos. Un primer proyecto se centra en la enfermedad conocida como esclerosis múltiple, y utiliza varios conjuntos de datos a diversas escalas biológicas (genes, proteínas, células, y tejidos) para entender mejor las diferencias en el fenotipo clínico. Conectando estos en redes multiescala y simulando su dinámica mediante redes Booleanas nos permitió identificar vías biológicas que describen el flujo de información entre los genes y el fenotipo, pasando por las proteínas, células, y el tejido. Un segundo proyecto trata sobre la influencia de señales mecánicas (que se producen a escala celular) en los ritmos circadianos (regulados a escala molecular). La red genética fue modelada con un sistema de ecuaciones diferenciales, en el que las señales mecánicas aparecen de forma paramétrica, respresentando la actividad de proteínas que actúan como mecanotransductores. En este modelo, un aumento en las señales mecánicas provoca una alteración de los ciclos regulares de 24 horas, que se observa experimentalmente. Todos los estudios presentados en esta tesis conectan las diversas escalas biológicas y estudian sus dinámicas.