Alimentación cruzada ("cross-feeding") y dinámicas de diversidad en fase estacionaria de largo plazo en Escherichia coli : una aproximación matemática

Abstract

Diversas investigaciones han mostrado que cultivos microbianos provenientes de una cepa pura pueden dar paso gradualmente a la emergencia y mantención de diversidad genética en condiciones de privación de recursos. En fase estacionaria de largo plazo, en Escherichia coli, se ha observado que aquellas mutantes con mayor adecuación biológica son capaces de invadir el sistema (selección periódica), lo cual posteriormente da paso a una fase de coexistencia y como consecuencia la biodiversidad se ve incrementada. En este trabajo se postula que el mecanismo responsable de ambas dinámicas, selección periódica y coexistencia, es el cross-feeding, en otras palabras la existencia de acoplamientos entre los requerimientos de nutrientes por parte de las mutantes, tal que los productos de excreción de un genotipo son los recursos de otro. El objetivo de esta tesis fue estudiar el rol de este mecanismo en las dinámicas de diversidad observadas en fase estacionaria de largo plazo, a través de la generación de un modelo de simulación matemático. En el modelo propuesto, las mutaciones le confieren a los individuos la capacidad de metabolizar y excretar distintos metabolitos, donde la supervivencia y la reproducción son dependientes de los recursos requeridos por cada genotipo. Nuestros resultados muestran que bajo condiciones limitadas de nutrientes, en ausencia de cross-feeding, la población muere rápidamente. Sin embargo, la presencia de cross-feeding produjo dinámicas de diversidad similares a las descritas en cultivos de largo plazo (selección periódica y coexistencia). Estos resultados indican que este mecanismo podría ser fundamental en la persistencia de las poblaciones por largos periodos de tiempo y que jugaría un rol importante en la emergencia y mantención de diversidad en ecosistemas microbianos.

Several studies have shown that microbial cultures from a pure strain may gradually lead to the emergence and maintenance of genetic diversity in deprivation of resources. Long-term stationary phase cultures of Escherichia coli have shown that these mutants with higher fitness are able to invade the system (periodic selection), but then these mutants do not exclude each other and as a result biodiversity increases. This work argues that the mechanism responsible for both dynamics, periodic selection and coexistence, is cross-feeding; in other words the existence of links between nutrient requirements by the mutants, in such a way that excretory products of one genotype are the resources of another. The aim of this thesis was to study the role of this mechanism in diversity dynamics observed in long-term stationary phase, through the generation of a mathematical simulation model. In this model, mutations grant individuals the ability to metabolize and excrete different metabolites, where survival and reproduction are dependent on the resources required by each genotype. Our results show that under limited concentrations of nutrients and without recycling of metabolites, the population quickly dies. However, the presence of cross-feeding produced diversity dynamics similar to those observed in long-term batch cultures (periodic selection and coexistence). These results indicate that the proposed mechanism could be fundamental to the persistence of populations for long periods of time and would play an important role in the emergence and maintenance of diversity in microbial ecosystems