Modelo matemático de la diferenciación celular de Neurospora crassa

Abstract

Neurospora crassa is a very studied fungus to understand diverse biological processes. One of these phenomena is the cellular differentiation that arises as an adaptation response to adverse environmental conditions, for example, hiper-oxidant environments (rich in oxygen) that generate an intercellular over-accumulation of reactive oxygen species (ROS). If this adaptation to reactive oxygen species is not produced the fungus can die. This work proposes a minimal mathematical model that represents the regulatory biochemical mechanisms necessary and sufficient underlying the cellular differentiation in N. crassa mediated by reactive oxygen species. Are analytically deduced the necessary conditions to show the relaxation oscillations on the intercellular concentrations of ROS which characterize the asexual reproductive cycle. By de use of algorithms Markov Chain Montecarlo (MCMC) like we achieved to adjust the model's parameters to data that describes experimentally the dynamics of the principal intercellular variables (ROS, reducing power, and biomass) which processes the hiper-oxydant environments. Was achieved to show the existence of relaxation oscillations in the proposed model and was confirmed by the use of numerical integration.

Neurospora crassa es un hongo ampliamente estudiado para entender diversos procesos biológicos. Uno de estos fenómenos es la diferenciación celular que emerge como respuesta de adaptación ante condiciones ambientales adversas, por ejemplo, ambientes hiper-oxidantes (abundantes en oxígeno) que generan una sobreacumulación intercelular de especies reactivas de oxígeno (ROS, por sus siglas en ingles). De no producirse esta adaptación ante altas concentraciones de especies reactivas de oxígeno, el hongo podría morir. Este trabajo plantea un modelo matemático mínimo que representa los mecanismos bioquímicos regulatorios suficientes y necesarios que subyacen la diferenciación celular en N. crassa mediada por especies reactivas de oxígeno. Se deducen analíticamente las condiciones necesarias para mostrar las oscilaciones de relajación sobre la concentración intercelular de ROS que caracterizan el ciclo reproductivo asexual. Utilizando algoritmos tipo Markov Chain Monte Carlo (MCMC) logramos ajustar los parámetros del modelo a datos que describen experimentalmente la dinámica de las principales variables intercelulares (ROS, poder reductor y biomasa) que procesan los ambientes hiper-oxidantes. Se logró demostrar la existencia de oscilaciones de relajación en el modelo propuesto y se confirmó mediante integración numérica estableciendo rangos paramétricos de ajuste con el uso de MCMC.