Gráfico de escala logarítmica del valor esperado de la tasa de cambio del número de celdas en una población que comienza con una sola celda, calculado analíticamente (curva sólida roja) y comparado con la simulación (círculos azules). La tasa de cambio del número de celdas se puede escribir como la suma de las tasas de división (líneas discontinuas parabólicas) de todas las generaciones. (Arriba) En ausencia de control de tamaño de celda, α =0, la distribución de los tiempos de división de las generaciones superiores se ensancha y comienza a superponerse, amortiguando las oscilaciones en la tasa de crecimiento. (Abajo) En presencia de incluso un control de tamaño de celda pequeño, α =0,1, la distribución de tiempos de división sucesivos se aproxima rápidamente a una distribución de estado estacionario con una varianza finita que conduce a la persistencia de oscilaciones en el crecimiento de la población. La distribución del tiempo de la séptima y décimo octava generación se destaca en ambos casos para la comparación. Crédito:arxiv.org/pdf/1809.10217.pdf
Cuando las bodas familiares parecen coincidir entre sí, el fenómeno ocurre por una razón. Un individuo y sus primos hermanos tienden a tener una edad similar, por lo que sus bodas suelen ocurrir en un período de tiempo similar. Pero las bodas para miembros de la familia extendida, digamos primos segundo y tercero, tienden a estar más dispersos. Esto se debe a que el tiempo entre una generación y la siguiente varía, lo que significa que las familias se esparcen más de generación en generación.
Un nuevo estudio realizado por el postdoctorado de la Universidad de Pensilvania Farshid Jafarpour del Departamento de Física y Astronomía, que trabaja en el laboratorio de Andrea Liu, revela que las variaciones en los tiempos de generación no se acumulan a lo largo de varias generaciones en los organismos unicelulares, como bacterias. Propone una nueva teoría, publicado en Cartas de revisión física , que describe cómo los factores que regulan el tamaño de las células individuales influyen en la tasa de crecimiento de una población completa.
A diferencia de los animales y las plantas, las bacterias aumentan el tamaño de su población simplemente aumentando de tamaño y luego dividiéndose por la mitad para producir dos nuevas células bacterianas. Al estudiar las bacterias cuando se dividen de forma regular, conocida como la fase de crecimiento exponencial, Jafarpour pudo desarrollar un modelo que describe matemáticamente esta fase fundamental del crecimiento de la población. "Si quieres estudiar la física del crecimiento bacteriano, realmente desea eliminar todas las demás partes que no forman parte de la fase de crecimiento, " él dice.
Jafarpour usó una combinación de ecuaciones matemáticas, simulaciones por computadora, y datos de experimentos biológicos que rastrearon el crecimiento de células bacterianas individuales. Se sorprendió al descubrir que el modelo predice que las bacterias oscilan entre ráfagas de crecimiento más lentas y más rápidas. en "ráfagas sincronizadas de divisiones, "en lugar de que la población crezca a un ritmo constante. Estas oscilaciones en el crecimiento a nivel de la población ahora proporcionan una nueva, forma matemática para que los biólogos piensen y estudien la dinámica de la población.
Previamente, Los biólogos sabían que el tiempo de generación en las poblaciones de bacterias estaba directamente relacionado con el tamaño de las células individuales. Si una bacteria crece durante demasiado tiempo, por ejemplo, sus células hijas son más grandes, y deben dividirse antes para compensar su diferencia de tamaño. Este proceso, conocida como regulación del tamaño de la celda, también cancela parte de la variabilidad en el tiempo de generación, que mantiene los tiempos de división sincronizados entre sí durante un período de tiempo mucho más largo de lo esperado anteriormente. Es esta métrica individual de regulación del tamaño de las células la que también parece estar causando las oscilaciones en las tasas de crecimiento observadas en el modelo de Jafarpour.
"La variabilidad en los tiempos de generación tiene dos fuentes diferentes:la variabilidad en el crecimiento y la variabilidad en la división, ", Explica Jafarpour." El resultado interesante es que la regulación del tamaño de las células cancela por completo la variabilidad en la división, por lo que lo único que queda es la variabilidad en el crecimiento de las células individuales. Y, porque eso es más pequeño, las oscilaciones duran mucho más de lo que cabría esperar ".
Este nuevo modelo ahora puede ser utilizado por los biólogos para obtener información sobre la variabilidad de las tasas de crecimiento individual, que son difíciles de medir en el laboratorio pero son extremadamente importantes para estudiar la evolución bacteriana. Y aunque este modelo necesitaría algunas modificaciones antes de que pudiera usarse para estudiar otras especies, Jafarpour cree que ayudar a los biólogos a comprender mejor la física que subyace al crecimiento de la población de bacterias es solo una de las muchas formas en que la física puede respaldar el trabajo realizado por los biólogos.
"La biología se ha centrado más en descubrir la base molecular de los mecanismos desde la década de 1950 con el descubrimiento de la estructura del ADN, pero ahora estamos llegando a un nivel en el que tenemos que retroceder y hacer más estudios cuantitativos. Los físicos tienen una larga tradición de trabajo con sistemas del mundo real, saber cómo aplicar muchos de los métodos cuantitativos desarrollados en matemáticas y también comprender qué variables son relevantes y cuáles no, "Dice Jafarpour.
