Tesis:
Modelos estocásticos de ecología de bacterias y virus
- Autor: VIDA DELGADO, Rafael Ángel
- Título: Modelos estocásticos de ecología de bacterias y virus
- Fecha: 2019
- Materia: Sin materia definida
- Escuela: E.T.S. DE INGENIEROS AGRONOMOS
- Departamentos: INGENIERIA AGROFORESTAL
- Acceso electrónico: http://oa.upm.es/54318/
- Director/a 1º: GALEANO PRIETO, Javier
- Director/a 2º: CUENDA CUENDA, Sara
- Resumen: En la presente tesis se presentan los resultados del estudio de un conjunto de problemas relacionados con la propagación de virus en redes multicapa, ecología de poblaciones y dinámica de los ecosistemas, así como las técnicas y los modelos matemáticos utilizados en dichos estudios. El primer problema de interés que se propone en la Tesis es el de propagación de virus informáticos en redes multicapa. Los virus actuales usan un método de propagación que se conoce como multivector. Esto quiere decir que usan, simultáneamente, diferentes protocolos de comunicaciones para infectar. Adicionalmente a la infección a través de la red de comunicaciones, usan técnicas de propagación que involucran a los dispositivos externos que estén conectados a los ordenadores. También aplicaciones de software, correo electrónico, etc. Estas formas de comunicación entre los nodos presentan topologías de red diferentes entre sí, aunque los nodos que componen las redes son los mismos en todas ellas, es decir, constituyen una única red multicapa. Se presentan en el presente documento de Tesis modelos matemáticos que permiten estudiar la propagación de la infección de virus multivector de manera más realista que los modelos existentes hasta ahora, que asumen que los nodos son diferentes en cada capa o analizan la propagación en las capas por separado. El modelo se basa en modelos anteriores de infección SIS en redes. Como principal resultado se ha determinado que la densidad de nodos infectados en redes multicapa es mayor que la esperada si se analizan por separado las propagaciones en cada capa. Además, el modelo propuesto permite diseñar estrategias de inmunización de los nodos con el fin de ralentizar o evitar la epidemia en redes informáticas. Esto tiene aplicaciones inmediatas en la protección de redes de ordenadores frente a infecciones que puedan afectar a la continuidad del negocio. Se ha usado el modelo con los datos experimentales de una red multicapa formada por los miembros de una comunidad científica, sus colaboraciones y las redes de ordenadores existentes en sus centros de investigación o universidades. Con el fin de estudiar diferentes tipos de interacciones interespecíficas se han modelizado y analizado dos situaciones biológicas relacionadas con los ecosistemas de bacterias existentes en el cuerpo humano. Uno de ellos es el tratamiento de síntomas de la enfermedad de Fibrosis Quística (FQ), que es una enfermedad genética cuya sintomatología está relacionada con la microbiota del pulmón. Para este problema se ha propuesto la introducción en esa microbiota de una bacteria bacteriófaga depredadora de ciertos tipos de bacterias como moduladora de factores de virulencia y como una estrategia ecológica para el control de las bacterias de los pulmones del enfermo de FQ. Se propone un modelo de depredador-presa sobre el que se analiza la estabilidad, además de un modelo orientado a agentes. Se ha determinado mediante estos modelos que el tratamiento propuesto tiene fundamento teórico y que hay un umbral mínimo de bacterias depredadoras que debe introducirse para conseguir el efecto deseado terapeúticamente Esto permite diseñar estrategias de tratamiento de los síntomas de enfermos de FQ. El tercer problema que se utiliza como marco de referencia en los modelos es el de la infección por C. difficile en el intestino humano, que, en ciertos casos, puede producir la muerte. Un tratamiento muy efectivo consiste en realizar un trasplante de heces de un donante sano, introduciendo una cantidad de heces con bacterias en el intestino del enfermo. En nuestro estudio se han realizado varios modelos de la microbiota, incluyendo un modelo orientado a agentes. Estos modelos han permitido determinar que existe un umbral relativo de proporción mínima de bacterias correspondientes al donante que deben introducirse para que se pueda alterar el ecosistema del intestino de forma que se desplace la población del patógeno. Se ha reproducido cualitativamente el comportamiento observado en la distribución de poblaciones en la microbiota tras un trasplante. También se ha analizado el efecto de las diferentes interacciones interespecíficas en la estabilidad del sistema de la microbiota, teniendo en cuenta que la estabilidad está relacionada con la salud del sujeto hospedante. Se ha determinado la importancia de la competición entre las bacterias de una misma especie en esa estabilidad. ----------ABSTRACT---------- In the present Thesis we present the results of the study of a set of problems related to the propagation of viruses in multilayered networks, ecology of populations, dynamics of ecosystems, as well as the techniques and mathematical models used in these studies. The first problem of interest is the propagation of computer viruses in multilayer networks. Current viruses use a propagation method known as multivector. This means that they use different communication standards in the infection process. In addition to the usual infection process using the communications network, they use propagation techniques that involve external devices connected to computers, software applications, email, etc. These forms of communication between the nodes have network topologies that are different from each other, although the nodes that constitute the networks are the same in all of them. That is, they constitute a single multilayer network. In this Thesis document we present mathematical models that allow us to study the propagation of multivector virus infection in a more realistic way than the models existing up to now, which assume that the nodes are different in each layer, or analyze the propagation in the layers separately. The model is based on previous models of SIS infection in networks. As main results it has been determined that the density of infected nodes in multilayer networks is higher than expected if the propagations if each layer are analyzed separately. In addition, the proposed model allows the design of immunization strategies for the nodes in order to slow down or prevent the epidemic in computer networks. This has immediate applications in the protection of computer networks against infections that may affect the continuity of the business. The model has been used with the experimental data of a multilayer network formed by the members of a scientific community, their collaborations and the existing computer networks in their research centers or universities. In order to study different types of interspecific interaction, two biological situations related to the ecosystems of bacteria existing in the human body have been modeled and analyzed. One of them is the treatment of symptoms of Cystic Fibrosis (CF) disease, which is a genetic disease whose symptomatology is related to the microbiota of the lung. For this problem has been proposed the introduction into that microbiota of a predatory bacteriophage of certain types of bacteria as a virulence factor modulator as an ecological strategy in order to control pathogenic bacteria in the lungs of the CF patient. We propose a predator-prey model on which stability is analyzed, as well as an agent-oriented model. It has been determined through these models that the proposed treatment has, in fact, a theoretical basis and that there is a minimum threshold of predatory bacteria that must be introduced to achieve the desired therapeutic effect. This makes it possible to design strategies for treating the symptoms of CF patients. The third problem that is used as a framework in the models is that of infection by C. difficile in the human intestine, which, in certain cases, can cause death. A very effective treatment consists of performing a transplant of feces from a healthy donor, introducing a quantity of feces with bacteria in the intestine of the patient. In our study, several models of the microbiota have been made, including an agent-oriented model. These models have allowed to determine that there is a relative threshold of minimum proportion of bacteria corresponding to the donor that must be introduced so that the ecosystem of the intestine can be altered and therefore the population of the pathogen is displaced. The behavior observed in the distribution of populations in the microbiota after a transplant has been reproduced qualitatively. The effect of the different interspecific interactions on the stability of the microbiota system has also been analyzed, bearing in mind that stability is related to the health of the host subject. The importance of competition between bacteria of the same species in that stability has been determined.