Emergence of collective phenomena and formation of cell colonies from cell individual characteristics. Applied modeling and simulations

Resumo

Biological systems are known for their complexity, as they comprise multiple components that interact with each other, often in sophisticated ways. However, biological systems are inherently physical systems as well, so that their behavior can be predicted in principle using general physical laws. The ever growing available computational power and the development of novel algorithms is providing the necessary framework for such approach. The present thesis focuses on cell ensembles, a type of biological system in which the integrating components are cells that grow, divide and interact with each other. In particular, different cellular physical characteristics are evaluated via computational simulations on their impact on the cell ensemble. The goal is to describe how to, at least partially, the behavior of the cell ensemble can be explained as a result of the purely physical traits of the participating cells. Los sistemas biológicos son conocidos por su complejidad, debido a que normalmente comprenden múltiples componentes que interactúan de forma sofisticada entre sí. No obstante, los sistemas biológicos también son inherentemente sistemas físicos, por lo que su comportamiento podría ser predicho en principio utilizando las leyes físicas conocidas. El creciente poder computacional disponible y el desarrollo de nuevos algoritmos proporcionan el marco necesario para tal enfoque. Esta tesis se centra en las comunidades celulares, un tipo de sistema biológico en el que los componentes integrantes son células que crecen, se dividen e interactúan entre sí. En particular, mediante simulaciones computacionales se evalúan diferentes características físicas celulares sobre su impacto en el conjunto de la colonia de células. El objetivo es describir cómo, al menos parcialmente, el comportamiento de las colonias celulares se puede explicar como resultado de las características físicas individuales de las células participantes.