Automatón celular tridimensional para modelar la evolución autosimilar en poblaciones bacterianas formadoras de biopelículas
Autores: Sarukhanian, Samvel; Maslovskaya, Anna; Kuttler, Christina
Idioma: Inglés
Editor: MDPI
Año: 2023
Acceso abierto
Artículo científico
2023
Automatón celular tridimensional para modelar la evolución autosimilar en poblaciones bacterianas formadoras de biopelículas
Categoría
Matemáticas
Subcategoría
Matemáticas generales
Palabras clave
Bacterias
Biopelícula
Algoritmo
Nutriente
Simulación
Estructura
Licencia
CC BY-SA – Atribución – Compartir Igual
Consultas: 33
Citaciones: Sin citaciones
Las poblaciones bacterianas a menudo forman colonias y estructuras en biopelículas. El documento tiene como objetivo diseñar algoritmos adecuados para simular la evolución auto similar en este contexto, específicamente mediante el empleo de un modelo híbrido que incluye un autómata celular para las células bacterianas y su dinámica. Esto se combina con la difusión del nutriente (como una caminata aleatoria) y el consumo de nutrientes por la biomasa. Por último, las células bacterianas se dividen al alcanzar niveles altos. El algoritmo calcula la distribución espacio-temporal de la biomasa en condiciones de nutrientes limitados, teniendo en cuenta la redistribución colectiva de los nutrientes. Para lograr una mejor geometría en este enfoque de modelo modificado, se aplican células de octaedro truncado para diseñar la red del autómata celular. Esto nos permite implementar un crecimiento realista de biopelículas bacterianas auto similares debido a un mayor número de relaciones internas para cada célula. El sistema de simulación se desarrolló utilizando C# en la plataforma Unity para un cálculo rápido. La implementación del software se llevó a cabo en combinación con el procedimiento de mediciones de rugosidad superficial basadas en cálculos de dimensiones fraccionadas. Los resultados de las simulaciones corresponden cualitativamente a observaciones experimentales de la dinámica poblacional de bacterias formadoras de biopelículas. Basándose en experimentos in silico, se revelaron dependencias cuantitativas de la complejidad geométrica de la estructura de la biopelícula en el nivel de nutrientes y oxígeno consumidos. Nuestros hallazgos sugieren que una estructura más compleja con una dimensión fractal de los límites de la biopelícula (alrededor de 2.6) corresponde a un cierto rango de niveles de nutrientes, después del cual la estructura se degenera y la biopelícula se homogeneiza, llenando el espacio disponible y tendiendo hacia una estructura estrictamente 3D. El enfoque híbrido desarrollado permite la modelización realista de escenarios de la evolución espacial de las poblaciones bacterianas formadoras de biopelículas y especifica características geométricas de las estructuras bacterianas de biopelículas auto similares visualizadas.
Descripción
Las poblaciones bacterianas a menudo forman colonias y estructuras en biopelículas. El documento tiene como objetivo diseñar algoritmos adecuados para simular la evolución auto similar en este contexto, específicamente mediante el empleo de un modelo híbrido que incluye un autómata celular para las células bacterianas y su dinámica. Esto se combina con la difusión del nutriente (como una caminata aleatoria) y el consumo de nutrientes por la biomasa. Por último, las células bacterianas se dividen al alcanzar niveles altos. El algoritmo calcula la distribución espacio-temporal de la biomasa en condiciones de nutrientes limitados, teniendo en cuenta la redistribución colectiva de los nutrientes. Para lograr una mejor geometría en este enfoque de modelo modificado, se aplican células de octaedro truncado para diseñar la red del autómata celular. Esto nos permite implementar un crecimiento realista de biopelículas bacterianas auto similares debido a un mayor número de relaciones internas para cada célula. El sistema de simulación se desarrolló utilizando C# en la plataforma Unity para un cálculo rápido. La implementación del software se llevó a cabo en combinación con el procedimiento de mediciones de rugosidad superficial basadas en cálculos de dimensiones fraccionadas. Los resultados de las simulaciones corresponden cualitativamente a observaciones experimentales de la dinámica poblacional de bacterias formadoras de biopelículas. Basándose en experimentos in silico, se revelaron dependencias cuantitativas de la complejidad geométrica de la estructura de la biopelícula en el nivel de nutrientes y oxígeno consumidos. Nuestros hallazgos sugieren que una estructura más compleja con una dimensión fractal de los límites de la biopelícula (alrededor de 2.6) corresponde a un cierto rango de niveles de nutrientes, después del cual la estructura se degenera y la biopelícula se homogeneiza, llenando el espacio disponible y tendiendo hacia una estructura estrictamente 3D. El enfoque híbrido desarrollado permite la modelización realista de escenarios de la evolución espacial de las poblaciones bacterianas formadoras de biopelículas y especifica características geométricas de las estructuras bacterianas de biopelículas auto similares visualizadas.