Haciendo uso de la metodología IBMs y considerando a una bacteria como individuo con sus distintos protocolos de ingesta de nutrientes, mantenimiento basal, metabolismo y muerte se simula su ccrecimiento y desarrollo dentro de un bioreactor operando con diversos protocolos de trabajo (por lotes o contínuo). Este documento es el inicial con el cual se trabaja en el Workshop de Sevilla 2013 - Cultura Digital - Forma'13.

1. Título: Poblaciones microbianas dentro de un bioreactor operando con distintos
protocolos de operación.
1. Descripción del problema a estudiar (por favor limita tu respuesta a 400
palabras):
En biotecnología la experimentación en laboratorio con microorganismos no siempre
es viable, conlleva una serie de condicionantes como coste, tiempo, inocuidad,
seguridad, equipamiento, esterilidad, entre otros, tareas que se pueden gestionar de
diferente manera con la experimentación virtual. El uso de un bioreactor virtual
facilitaría la comprensión del sistema real favoreciendo su manipulación final.
Las personas en distintos ciclos de formación buscan respondera una serie de
preguntas, como ¿qué es un bioreactor? ¿puedo manipular un bioreactor? ¿qué
sucede dentro de un bioreactor? ¿qué comportamiento tiene una población de
microorganismos dentro de un bioreactor? Las respuestas se pueden obtener
haciendo uso de un sistema complejo simulado (bioreactor virtual), el cual nos facilita
el análisis del comportamiento y respuesta de distintas poblaciones de
microorganismos en diferentes condiciones de medio de cultivo que pueden ser
controladas por el observador.
La elección de un enfoque básico de modelización para estudiar un sistema
microbiano, ya sea a nivel de población (por lo general continuo con ecuaciones
diferenciales) o basado en el individuo (discreto y modelo computacional) es una
decisión importante que debe tomarse en función de los aspectos específicos del
proyecto, las características del sistema, el problema a estudiar y las hipótesis a
contrastar o bien cuando lassuposiciones del continuo no sean aplicables. Los
modelos basados en individuos (IbMs) se ocupan de los individuos (agentes vivos)
como entidades discretas y autónomas. Estos individuos tienen características
particulares que cambian de acuerdo con las accionesbiológicas de su propio
comportamiento, las interacciones con otros individuos y con el medio ambiente.Los
enfoques a nivel de población se utilizan principalmente para fines de predicción,
debido a su simplicidad y eficiencia computacionalsiendo ampliamente utilizados,
mientras que la potencia de losIbMsradica en las características que ofrecen para
desentrañar, comprender e investigar la dinámica de los sistemas vivos. Nos permiten
tratar la variabilidad intrínseca de todo ser vivo, con la emergencia del comportamiento
poblacionala partir de las acciones e interacciones a nivel individual.
En este caso de estudio se quiere desarrollar un IbM que simule la dinámica de un
bioreactor microbiano bajo diferentes protocolos de manipulación externa. El objetivo
principal es desarrollar un simulador de un bioreactor microbianoque sea fácil de
entender, adaptable a aplicaciones específicas y útil para personas dentro del ámbito
de las ciencias de la vida.
2. Formula el problema descrito anteriormente mediante una pregunta
sencilla:
¿Es posible simular el comportamiento de poblaciones de microorganismos en
condiciones distintas y cambiantes dentro de un bioreactor?
3. Describe brevemente el sistema y enumera de forma aproximada las
variables que intervienen:
El sistema será un bioreactor virtual que operará con diferentes protocolos de trabajo
(por cargas óen continuo), que contendráconcentraciones iniciales de sustratos en el

2. cual se inoculará una determinada cantidad de microorganismos viables, los cuales se
adaptarán al medio que encuentren, consumirán sustratos, se reproducirán, generarán
productos finales y mantendrán o no su viabilidad a lo largo del tiempo.
Variables Agente (microorganismo):
a.
b.
c.
d.
e.
f.
Posición en el espacio
Biomasa
Necesidades de mantenimiento
Biomasa de reproducción
Tiempo de ciclo de reproducción
Tiempo de viabilidad
Variables del medio (medio de cultivo):
a. Concentración de sustratos
b. Concentración de productos
Variables del sistema:
a.
b.
c.
d.
Caudal de entrada de sustratos
Caudal de salida de medio de cultivo
Razón de dilución
Tiempo de operación
3. Puedes indicarnos las referencias bibliográficas más relevantes en
relación al caso de estudio que planteas?.
[1] P. Araujo, A. Gras, M. Ginovart, 2013. An individual-based model for the study of
Paracoccus denitrificans, a denitrifying bacterium. In Book of Abstracts - V International
Conference
on
Environmental,
Industrial
and
Applied
Microbiology.
BioMicroWorld2013, A. Mendez-Vilas (ed), Formatex p. 75.
[2] J. Ferrer, C. Prats, D. López, 2008. Individual-based Modelling: an essential tool for
microbiology, Journal of biologicalphysics 34, 19-37.
[3] M. Ginovart, X. Portell, P. Ferrer-Closas, M. Blanco. 2011. Modelos basados en el
individuo y la plataforma NetLogo. Revista Iberoamericana de Educación Matemática
27, 131-150.
[4] M. Ginovart, C. Prats, 2012. A Bacterial Individual-based Virtual Bioreactor to test
Handling Protocols in a NetLogo Platform In: Proceedings MATHMOD 2012 - 7th
Vienna International Conference on Mathematical Modelling Full Papers CD Volume,
Eds. I. Troch and F. Breitenecker. ARGESIM Report no 35,ARGESIM-ASIM German
Simulation Society, Wien, 1495 – 1506.
[5] A. Gras, M. Ginovart, J. Valls, P.C. Baveye, 2011. Individual-based modelling of
carbon and nitrogen dynamics in soils: Parameterization and sensitivity analysis of
microbial components. Ecological Modelling 222, 1998–2010.
4. Comentarios, objetivos etc. (opcional):
El caso de estudio se presenta con la colaboración de la Dra. Marta Ginovart de la
UniversitatPolitècnica de Catalunya – Barcelona Tech.