Стохастическая модель динамики неконъюгативных бактериальных плазмид с учетом особенностей клеточного цикла бактерий

• Автор: Шуваев, Андрей Николаевич
• Шифр специальности: 03.00.02
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2008
• Место защиты: Красноярск
• Количество страниц: 100 с. : ил.

Содержание
Введение

1 Динамика плазмид в бактериальных популяциях

1.1 Плазмиды как молекулярная структура

1.2 Математическое моделирование популяционной динамики плазмид

1.3 Моделирование внутриклеточной динамики плазмид с учетом

контроля репликации

1.4 Клеточный цикл ii i .

1.4.1 Основные периоды. Роль белка, инициирующего репликацию хромосомы .

1.4.2 Математические модели динамики .

1.5 Взаимосвязь продолжительности клеточного цикла с количеством плазмид идея модели
2 Математическая модель клеточного цикла
плазмидсодержащих бактерий
2.1 Конкурентная модель накопления
2.1.1 Параметр А. Различия в динамике накопления плазмидсодержащими и бесплазмидными
клетками
2.1.2 Определение интенсивности связываний рибосом с мРНК
параметр тп
2.2 Модель продолжительности клеточного
цикла плазмидсодержащих и бесплазмидных клеток Е. i .
2.3 Расчет стоимости плазмид.
2.3.1 Быстрый рост клетки ЬйоиЬ 1 г.
2.3.2 Медленный рост клетки ЬдонЬ 1М
3 Стохастическая модель динамики плазмид в популяции бактерий. Описание процесса посредством уравнения ФоккераПланка
3.1 Построение стохастической модели.
3.1.1 Определение вероятностей перехода, дх и гх
3.2 Вывод уравнения ФоккераПланка.
3.3 Решение уравнения ФоккераПланка в случае малых изменений
числа копий плазмид
4 Заключение
4.1 Результаты и выводы .
4.2 Список работ, опубликованных по теме диссертации.
Список литературы


В случае патогенных бактерий до сих пор единственным методом снижения резистентности является поиск новых форм антибактериальных препаратов, к которым еще не существует соответствующих резистивных плазмид. Существует специальная группа антибиотиков так называемая группа резерва, применение препаратов из которой сильно ограничено. Такой шаг направлен на удлинение времени эффективного применения данных бактерицидных веществ до возникновения соответствующего резистентного штамма. Однако, эти подходы к проблеме плазмидобусловленной резистентности не решают проблему ее снижения или элиминации у таких штаммов микроорганизмов. Поэтому, представляется актуальным изучение механизмов популяционной и внутриклеточной динамики плазмид с целью прогнозирования путей повышения антибиотикочувствительности популяции патогенных бактерий. В многочисленных экспериментальных исследованиях было показано, что нестабильность плазмидсодержащих штаммов резко возрастает при низких скоростях роста в хемостате. Причем этот эффект наблюдается при любых типах лимитирования роста бактерий, для различных плазмид в том числе и с клонированными генами и до сих пор не получил приемлемого объяснения. Однако, существует целый ряд экспериментальных данных, свидетельствующих о возрастании селективного коэффициента даже при постоянной экспрессии. Таким образом, изучение внутриклеточных механизмов, приводящих к такого рода динамике, является необходимым и весьма актуальным для поиска путей повышения стабильности генноинженерных плазмидсодержащих штаммов. ЦЕЛИ ИССЛЕДОВАНИЯ. Целыо настоящей работы является разработка стохастической модели популяционной динамики иеконъюгатипных бактериальных плазмид с. Разработать математическую модель клеточного цикла плазмидсодержащей клетки на основе оценки времени накопления белка ОпаА, которое определяет момент начала инициации репликации хромосомы. С помощью разработанной модели провести анализ влияния метаболической нагрузки, количества и размеров плазмид, а также эффективности экспрессии их генов на продолжительность клеточного цикла плазмидсодержащих клеток в сравнении с бесплазмидпыми. Разработать математическую модель динамики неконъюгативных бактериальных плазмид при кратковременном изменении активности селективного фактора среды с учетом особенностей их клеточного цикла и контроля репликации плазмид. Проанализировать динамику числа плазмид при импульсном изменении условий существования плазмидсодержащей популяции. Исследовать влияние параметров, определяющих продолжительность клеточного цикла на стабильность плазмидсодержащего штамма. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ. В работе использовалось математическое моделирование на основе вероятностных подходов к описанию конкурирующих систем. Построены математические модели клеточного цикла па основе методов комбинаторного анализа, обыкновенных дифференциальных уравнений и теории вероятностей. Для исследования популяционной динамики плазмид использовалась аппроксимация одношаговым процессом с последующим выводом уравнения ФоккераПланка. Для решения этого уравнения вблизи стационарного состояния был применен подход Бюргееса. Основные результаты расчетов были сравнены с соответствующими экспериментальными данными. НАУЧНАЯ НОВИЗНА РАБОТЫ. Предложен вероятностный подход, который впервые связывает метаболическую нагрузку плазмид с определенным клеточным механизмом динамикой белка, инициирующего репликацию хромосомы. Данный подход позволяет исследовать влияние числа плазмидных белок кодирующих генов и эффективности их экспрессии на продолжительность клеточного цикла плазмидсодержащих клеток. Модель впервые позволила объяснить эффект возрастания селективного преимущества бесплазмидных клеток в случае низких скоростей роста при неизменной эффективности экспрессии плазмидных генов. Построенная модель динамики плазмид в популяции впервые позволила связать макроскопически наблюдаемый эффект стабильности плазмид с внутриклеточными причинами метаболической нагрузки этих молекул. Показано, что время элиминации плазмид из популяции зависит от отношения числа молекулингибиторов и молекулинициаторов репликации плазмид.