CBL - Campus del Baix Llobregat

Projecte llegit

Títol: Dinàmica bioquímica per a la polarització en cèl·lules en moviment

Estudiant que ha llegit aquest projecte:

Tutor/a o Cotutor/a: ALONSO MUÑOZ, SERGIO

Departament: FIS

Títol: Dinàmica bioquímica per a la polarització en cèl·lules en moviment

Data inici oferta: 31-01-2025      Data finalització oferta: 30-09-2025

Estudis d'assignació del projecte:
    GR ENG SIS BIOLÒG 23

Lloc de realització:
EEABB

Paraules clau:
Modelització, moviment cèl·lular, bistabilitat, reacció-diffusió

Descripció del contingut i pla d'activitats:
La motilitat de les cèl·lules eucariotes implica una complexa xarxa d'interaccions entre components bioquímics i processos mecànics. La cèl·lula utilitza aquesta xarxa per polaritzar i induir canvis de forma que donen lloc a protuberàncies i retraccions de la membrana, que finalment condueixen a la locomoció de tot el cos cel·lular. La combinació d'un model de reacció-difusió no lineal de polarització cel·lular, cinètica biestable sorollosa i un camp de fase dinàmic per a la forma cel·lular ens permet capturar les característiques clau d'aquest complex sistema per investigar diversos escenaris de motilitat, incloses les formes ameboides i en forma de ventall. així com estats intermedis amb diferents mecanismes de desplaçament. Els models computacionals poden reproduir els principals mecanismes observats en Experiments (tenim contacte directe amb els experimentals). La polarització de les cèl·lules s'ha descrit amb èxit amb els models computacionals, però la formació de pseudopols no es descriu completament en les versions anteriors. L'objectiu és generar nous models computacionals de reacció-difusió estocàstica per reproduir la formació de pseudopols.

Overview (resum en anglès): This bachelor's thesis looks to evaluate the dynamics of the Ras system in cell polarization and motility of Dictyostelium discoideum through computational simulations. The Ras system is a network of excitable GTPase proteins that alternate between active (Ras-GTP) and inactive (Ras-GDP) forms, regulated by activation factors (GEFs) and inactivation factors (GAPs). The original model by (Fukushima et al., 2019) described these dynamics after experimentation.
To address this issue, several deterministic and stochastic models based on Fukushima's reaction-diffusion equations have been developed and implemented in MATLAB. The deterministic model reproduces Ras and GAPs activity over time and space. Furthermore, the initial concentrations were renormalized to be expressed in the absolute number of molecules instead of concentrations, a necessary step for building the stochastic model. This model was implemented with probability rules (binomial and Poisson) to capture the intrinsic noise affecting systems.
The results show that the deterministic model correctly reproduces the Ras oscillations described experimentally, but it presents an idealized dynamic. The stochastic model reflects more irregular and realistic patterns due to the noise representing natural fluctuations. The analysis also demonstrates that the availability of GAPs is key for mathematically simulating this behavior. By implementing a scaling factor, increasing the number of GAPs significantly reduces stochastic fluctuations and brings the stochastic model's dynamics closer to the deterministic one. By raising the molecular availability of GAPs, the spatiotemporal patterns of the stochastic model become practically identical to those of the deterministic model.
In conclusion, this study validates that Ras system dynamics can sustain activity waves independently of the PI3K pathway, and it demonstrates the importance of considering molecular noise in the modeling of biological systems. The strategy of rescaling GAPs offers a solution to make deterministic and stochastic models comparable and allows for a better understanding of how molecular variability influences cell polarization.

Aquest projecte està relacionat amb l'adaptació al Canvi Climatic? No

Aquest projecte està relacionat amb la digitalització del seu àmbit de treball? Sí

© CBLTIC Campus del Baix Llobregat - UPC