1,721,136 research outputs found
DMCC: Identification of dynamic models of microbial commuties
No full text2 filesSoftware to reproduce the results in the paper: "IDENTIFICATION OF DYNAMIC MODELS OF MICROBIAL COMMUNITIES" by Ana Paredes-Vázquez, Eva Balsa-Canto and Julio R. Banga;
bioRxiv preprint: https://doi.org/10.1101/2025.06.09.658565JRB acknowledges support from grant PID2020-117271RB-C22 (BIODYNAMICS) funded by MCIN/AEI/10.13039/501100011033, from grant PID2023-146275NB-C22 (DYNAMO-bio) funded by MICIU/AEI/ 10.13039/501100011033 and ERDF/EU, and from grant CSIC PIE 202470E108 (LARGO).
APV acknowledges support from grant PREP2023-002147, funded by MICIU/AEI/10.13039/501100011033/ and the European Social Fund Plus (ESF+), as part of the project PID2023-146275NB-C22Peer reviewe
Contributions to mathematical modelling and numerical simulation of biofilms
Get PDF[Abstract]The main goal of this PhD work is the development and numerical resolution of
mathematical models that simulate the dynamics of bacterial biofilm systems, paying
special attention to those biofilms formed by the Listeria monocytogenes, a pathogen
of special relevance in food safety.
A biofihn is a layer of microorganisms attached to a surface and protected by a
matrix of exopolysaccharides. Biofilm structures difficult the removal of microorganisms,
thus the study of the type of structures formed throughout a biofilm life cycle
is key to design elimination techniques.
In the present work, we develop different models that simulate the dynamics of
biofilms formed by different strains of L. monocytogenes. We start with a 1D model
that can be used to describe the formation of flat biofilms. Afterwards, we apply
the acquired knowledge to develop a 2D model capable of describing more complex
structures. All this models are solved with efficient numerical methods and robust
numerical techniques, such as the Level Set method, that guarantees the good behaviour
of the obtained solutions. Finally, the numerical results are compared with the experimental measurements
obtained in the Instituto de Investigaciones Marinas, CSIC (Vigo, Spain), and the
Micalis Institute, INRA (Massy, France).[Resumen]El objetivo fundamental de esta tesis consiste en el desarrollo y resolución numérica
de modelos matemáticos que reproduzcan la dinámica de biopelículas, en especial,
aquellas formadas por Listeria monocytogenes, un patógeno especialmente relevante
en la seguridad alimentaria.
Una biopelícula es una capa de microorganismos adheridos a una superficie y protegidos
por una matriz de expolisacáridos. La estructura de las biopelículas hace
difícil la eliminación de los microorganismos, de ahí que sea fillldamental estudiar
el tipo de estructuras que se forman durante la vida de una biopelícula para poder
diseñar nuevas técnicas de eliminación.
En el presente trabajo, desarrollamos modelos que simulan la dinámica de biopelículas
de diferentes cepas de L. monocytogenes. Comenzamos estableciendo un modelo
1D capaz de describir la formación de biopelículas planas para, posteriormente,
aplicar los conocimientos adquiridos al desarrollo de un modelo 2D capaz de describir
estructuras más complejas. Estos modelos se resuelven con métodos numéricos eficientes
y técnicas numéricas robustas, como el método Level Set, que garantizan el
buen comportamiento de las soluciones.
Finalmente, los resultados obtenidos son comparados con las imágenes de microscopía
procedentes de experimentos realizados en el Instituto de Investigaciones
Marinas, CSIC (Vigo, España) yen el Micalis Institute, INRA (Massy, Francia).[Resumo ] O obxectivo fundamental desta tese é o desenvolvemento e resolución numérica de
modelos matemáticos que reproduzan a dinámica de biopelículas, en especial, aquelas
formadas por Lisieria monocytogenes, un patóxeno de especial relevancia na seguridade
alimentaria.
Unha biopelícula é unha capa de microorganismos adheridos a unha superficie
e protexidos por unha matriz de expolisacáridos. A estructura das biopelículas fai
difícil a eliminación dos microorganismos, de aí que sexa fundamental estudar o tipo
de estructuras que se forman ao longo da vida dunha biopelícula para poder deseñar
novas técnicas de eliminación.
No presente traballo, desenvolvemos modelos que simulan a evolución de diferentes
cepas de L. monocytogenes. Comezamos establecendo un modelo 1D capaz
de describir a dinámica de cepas chás para, posteriormente, aplicar os coñecementos
adquiridos ao desenvolvemento dun modelo 2D capaz de describir estruturas máis
complexas. Todos estes modelos resólvense con métodos numéricos eficientes e técnicas
numéricas robustas, como o método Level Set, que garanten o bo comportamento das
solucións.
Finalnlente, os resultados obtidos compáranse coas imáxes de microscopía obtidas
en experimentos realizados no Instituto de Investigacions Mariñas, CSIC (Vigo,
España) e no Micalis Institute, INRA (Massy, Francia)
Ecological modelling to describe the role of light on microbial interactions in Ulva spp. with implications in aquaculture
Get PDFDissertação de mestrado em BioinformaticsCom a população mundial a aumentar e as quotas de pesca a estagnar, são necessárias novas
formas de produzir alimentos de origem marinha sem comprometer o ambiente. Uma destas formas é
através da Aquacultura Multi-Trófica Integrada num Sistema de Recirculação de Água (IMTA-RAS). Um
dos maiores problemas das produções intensivas é o dos agentes patogénicos ou oportunistas que
podem causar uma taxa de mortalidade dos peixes da ordem dos 75% ou mesmo superior. Num
sistema do tipo IMTA-RAS, são necessárias pelo menos duas espécies, uma alimentada (como os
peixes) e outra extrativa (como, por exemplo, as algas) capaz de remover os nutrientes orgânicos e
inorgânicos da água. Neste trabalho, consideramos Ulva ohnoi, uma espécie que tem atraído grande
atenção devido à sua facilidade de cultivo, produtividade, elevado teor proteico, e outros nutrientes
essenciais. As comunidades bacterianas associadas a Ulva spp. desempenham um papel funcional
importante tanto na morfogénese como na reprodução de algas. Uma espécie bacteriana específica
encontrada na superfície de Ulva, Phaeobacter gallaeciensis, pode produzir um antibiótico natural
atuando contra agentes patogénicos oportunistas como o agente patogénico dos peixes, Vibrio
anguillarum. No entanto, a retenção de Phaeobacter gallaeciensis na superfície das algas é afetada
pelas condições de funcionamento do sistema IMTA. Mais especificamente, na intensidade da luz. Aqui
propusemos a formulação de um modelo ecológico para ter em conta esses efeitos e descrever como a
intensidade da luz afeta as interações entre espécies: alga - microbioma bacteriano - Phaeobacter. Para
este propósito, primeiro foi realizada uma experiência para obter dados de crescimento das espécies
com diferentes intensidades de luz. Os dados foram então utilizados para identificar iterativamente um
modelo Lotka-Volterra. Foi realizada uma análise de identificabilidade, o que levou a um modelo
reduzido. Posteriormente, utilizando uma abordagem de estimativa de parâmetros multi-experimental,
foram estimados os tipos de interações e a sua dependência da intensidade luminosa. Os resultados
finais revelam que a taxa de crescimento das algas depende da intensidade da luz. No entanto,
intensidades mais elevadas podem ser prejudiciais. Além disso, as melhores condições de crescimento
das algas parecem ser as piores para a retenção de Phaeobacter. Embora estes resultados necessitem
de mais validação experimental, concluímos que a intensidade da luz deve ser seleccionada para obter
bons compromissos entre o crescimento das algas e a produção de antibióticos naturais.With the world’s population increasing and fishing quotas stagnating, new ways to produce marine
food without compromising the environment are needed. One of these ways is through Integrated Multi Trophic Aquaculture in a water Recirculation System (IMTA-RAS). One of the greatest problems of intensive
productions is the opportunistic pathogens that can cause a mortality rate of fish on the order of 75% or
even higher. In an IMTA-RAS type of system, at least two species are needed, one fed (like fish) and
other extractive (like, for example, algae) capable of removing organic and inorganic nutrients from the
water. In this work, we considered Ulva ohnoi, a species that has attracted important attention due
to its ease of cultivation, productivity, high protein content, and other essential nutrients. The bacterial
communities associated with Ulva spp. play an important functional role in both morphogenesis and algae
reproduction. A particular bacterial species found on the surface of Ulva, Phaeobacter gallaeciensis, can
produce a natural antibiotic acting against opportunistic pathogens as fish pathogen, Vibrio anguillarum.
However, the retention of Phaeobacter gallaeciensis on the surface of the algae is affected by the operating
conditions of the IMTA system. More specifically, on light intensity. Here we proposed the formulation of
an ecological model to account for those effects and describe how light intensity affects the interactions
between species: algae - bacterial microbiome - Phaeobacter. For this purpose, an experiment was
first performed to obtain species growth data at different light intensities. The data were then used to
iteratively identify a Lotka-Volterra model. Identifiability analysis was performed, which led to a reduced
model. Afterwards, using a multi-experiment parameter estimation approach, the types of interactions and
their dependence on the light intensity were estimated. The final results reveal that the algae growth rate
depends on the light intensity. However, higher intensities can be detrimental. In addition, the best algae
growth conditions appear to be the worst for retention of Phaeobacter. Although these results need further
experimental validation, we concluded that light intensity must be selected to obtain good compromises
between algae growth and the production of natural antibiotics
Dynamic genome-scale modelling of the Saccharomyces non-cerevisiae yeasts metabolism in wine fermentation
Get PDFDissertação de mestrado em BioinformaticsThe wine industry is facing challenging times due, mostly, to climate change and changing
consumer demands. The urge to innovate stimulates R&D of new fermentation processes
using non-conventional yeast species (e.g. non-cerevisiae Saccharomyces species).
While recent research approached the physiology of diverse non-conventional yeast
species, little is known about their metabolism in different environmental conditions.
In this work, a previously developed dynamic genome-scale model was adapted to
study the metabolism of Saccharomyces kudriavzevii in wine fermentation at two temperatures,
25ºC and 12ºC. Adjustments included the addition of metabolic pathways and
dynamic constraints. Goodness-of-fit of the model to measurements of the extracellular
compounds was satisfactory, i.e. the median values of R2 are 0.95 and 0.87 for 25ºC and
12ºC, respectively.
The model was then used to explore the differences in the dynamics of metabolism
between temperatures. The most significant differences appeared in the stationary
phase: 1) the strain produces more mevalonate and succinate at 25ºC, probably due
to a late response to stress and the maintenance of redox balance via the GABA shunt,
respectively, 2) erythritol flux is higher at 12ºC, probably due to the conditions of formation
lasting longer and 3) the production of higher alcohols, mostly de novo, is higher at 12ºC,
due to the longer viability of the cells.
The proposed model provided a comprehensive picture of the main steps occurring
inside the cell during wine fermentation. Model predictions are consistent with experimental
data and previous findings, but it also brought novel results, such as the role of
the GABA shunt or the production of mevalonate in the metabolism of S. kudriavzevii,
worth being explored further.A indústria vinícola atravessa tempos desafiantes, sobretudo devido às alterações
climáticas e às mudanças das exigências dos consumidores. A necessidade de inovar
estimula a I&D de novos processos fermentativos usando espécies de leveduras não
convencionais, (e.g. espécies Saccharomyces não-cerevisiae). Apesar de investigações
recentes abordarem a fisiologia de diversas espécies de leveduras não convencionais,
sabe-se pouco sobre o seu metabolismo em diferentes condições ambientais.
Neste trabalho, adaptou-se um modelo dinâmico à escala genômica para estudar o
metabolismo da Saccharomyces kudriavzevii CR85 durante a fermentação de vinho a
25ºC e 12ºC. Os ajustes incluem a adição de vias metabólicas e restrições dinâmicas.
A adequação do modelo às medições dos compostos extracelulares foi satisfatória, i.e.,
os valores medianos de R2 são de 0.95 e 0.87 para 25ºC e 12ºC, respectivamente.
O modelo foi então utilizado para explorar as diferenças nas dinâmicas do metabolismo
entre temperaturas. A maioria das diferenças significativas surgem na fase estacionária:
1) a estirpe produz mais mevalonato e succinato a 25ºC, provavelmente devido a uma
resposta tardia ao stress e à manutenção do balanço redox através da via alternativa
do GABA, respectivamente, 2) fluxo de eritritol é maior a 12ºC, provavelmente devido
às condições da sua formação durarem mais e 3) a produção de álcoois superiores,
sobretudo via de novo, é superior a 12ºC, devido à longa viabilidade das células.
O modelo proposto permitiu um retrato completo dos principais passos ocorridos no
interior da célula durante a fermentação de vinho. As previsões do modelo estão de
acordo com os dados experimentais e descobertas anteriores, no entanto, também
trouxe resultados inovadores, como o papel da via GABA ou a produção de mevalonato
no metabolismo da S. kudriavzevii, que vale a pena ser mais explorado.This work was supported by the CSIC (Consejo Superior de Investigaciones Científicas) through the “JAE Intro ICUs 2019” grant: JAEICU-19-IIM-01 (introduction grants to research for university students
Identificación de modelos e implementación en línea de políticas operativas óptimas en procesos de transformación de la industria alimentaria
No full textThe “2013-2014 Data & Trends of the European food and drink industry" report provides a comprehensive description of the food and beverage industry, the largest manufacturing sector in the EU.
That report emphasises the consumer expectations as the driving force for in-
dustrial innovation. Consumer expectations are classied in five axes: pleasure,
health, physical, convenience and ethics. Although price remains a key criterion of
most purchasing decisions, pleasure, convenience and health are driving factors of
food market evolution.
In a largely atomised sector, with thousands of SME companies in Europe
accounting for more than the 50% of food and drink industry turnover, the challenge
to remain competitive, is not only to spot the product that will deliver business,
but to be the first in developing and delivering it to the market.
Typically the food industry largely relied on tradition for the formulation of
new food products or the improvement of existing ones. However, this approach is
no longer suitable due to the necessity to respond rapidly to changes in consumers'
preferences. As a consequence, there is currently a great deal of technological de-
velopment in food industry both at the “product" and at the “process" levels.
New product developments combine strategic and organisational actions with
technical effort; the former dealing with the management of the development process,
strategic placement and launch of the new product; the latter concerned with the
design of the product and its manufacturing process (Charpentier and McKenna,
2004; Costa et al., 2006). From a practical point of view, the design of a new product
involves the embodiment of two major pillars: i) components and properties (or attributes), and ii) processes, storage and usage conditions.
Attributes are often used to characterise the quality of the product from the
consumer perspective, and will be referred as quality factors from now on. In many
cases, as in fried or baked foods, these quality factors are inherently subjective such
as appearance, smell, texture, colour, and flavour, frequently examined by human
inspectors. Inconsistency and variability associated to such a kind of inspection
accentuates the necessity for objective parameters to measure quality. Nowadays,
different quantitative parameters can be determined by the composition and physico-
chemical properties of the components of the food product, the product structure
which is in general dependent of the processing conditions, and the food storage
and usage conditions. In fact, it is widely accepted that the creation of novel foods
or improvement of existing foods largely depends on a strong understanding and
awareness of the intricate interrelationship among the food features at different
scales and their physico-chemical properties, sensory attributes and healthfulness.
In general, food processes are applied for one or more of the following reasons:
preservation; availability; safety; quality; convenience; health and wellness; and
sustainability (Floros et al., 2010).
Computer aided process engineering tools (CAPE) enable the possibility of: i)
automating and controlling processes for the sake of efficiency and reproducibility,
ii) facilitating changeovers among different products and iii) analysing new operation/product scenarios through simulation.A industria alimentaria é unha das máis importantes en ratios de produción na Unión Europea, en “2013-2014 Data & Trends of the European food and drink industry" pódese atopar unha descrición clara e actual da mesma. Dito informe enfatiza a importancia da demanda por parte dos consumidores como forza impulsora da innovación industrial. Neste senso, aínda que o prezo segue a ser un criterio clave á hora de comprar alimentos, outros factores como son a comodidade e a calidade están a emerxer collendo cada vez máis peso na evolución do mercado. De feito, os actuais patróns de consumo a nivel alimentario dependen principalmente de factores coma o pracer, a saúde, a comodidade e a ética. Nun sector enormemente disgregado, con miles de PEMEs en toda Europa que moven máis do 50% do mercado alimentario, o reto para ser competitivo xa non se basea exclusivamente na produción e venda de bens de consumo, senón que agora é clave ser o primeiro en desenvolver novos produtos e levalos ao mercado. Tradicionalmente, a industria alimentaria fundamentou a formulación de novos produtos e mellora dos existentes en experiencias previas. Pero este enfoque resulta ineficiente na actual escena mundial, na que se require de respostas rápidas e efectivas ás exixencias do mercado. Enténdese, entón, que un punto importante á hora de satisfacer as crecentes demandas dos consumidores dependa da capacidade de intervir, non só a nivel de proceso, senón tamén a nivel de produto. As innovacións a realizar a nivel de produto deben combinar accións estratéxicas e organizacionais con esforzo a nivel técnico. As accións estratéxicas e organizacionais están dirixidas ao desenvolvemento do proceso, á localización estratéxica e ao lanzamento de novos produtos. Mentres que o esforzo técnico está encamiñado ao deseño e proceso de fabricación do novo produto (Charpentier and McKenna, 2004; Costa et al., 2006). Desde un punto de vista práctico o deseño de novos produtos inclúe dúas pezas fundamentais: i) compoñentes e propiedades, e ii) procesamento, almacenamento e condicións de uso. Algúns atributos dos alimentos son empregados para caracterizar a súa calidade desde a o punto de vista do consumidor, son os denominados factores de calidade. Pero en moitos casos estes factores de calidade son subxectivos, é o caso da aparicencia, textura, cor e sabor entre outros. É por isto, que existe unha enorme variabilidade á hora de medir e cuantificar a calidade de un alimento. Hoxe en día, existen relacións que permiten conectar parámetros subxectivos, xa sexan factores sensoriais ou de salubridade e seguridade do alimento, con propiedades psicoquímicas medibles, ou como mínimo calculables. Este feito é crítico se temos en conta que a creación de “novos" alimentos e a mellora dos xa existentes depende do coñecemento existente relativo ás características dos mesmos en diferentes escalas, ás súas propiedades psico-químicas, aos seus atributos sensoriais, etc. Por norma xeral, o procesamento de alimentos é levado a cabo por unha ou varias das seguintes razóns: conservación, dispoñibilidade, seguridade, calidade, comodidade, saúde e benestar, e sustentabilidade (Floros et al., 2010). O deseño de procesos alimentarios que permita asegurar seguridade, calidade, comodidade e produtos saudables para o consumidor, á vez que garantir un emprego sustentable dos recursos, require de metodoloxías baseadas na enxeñaría de procesos asistida por ordenador ou CAPE (do inglés: computer aided food process engineering).Ministerio de Economía y Competitividad | Ref. AGL2008-05267-C03-01Ministerio de Economía y Competitividad | Ref. AGL2012-39951-C02-01Xunta de Galici
SEAFOOD-AGE: Smart food choices, no matter how old you are!
No full textPoster.-- Close Encounters IIM (3rd Kind), Vigo, 23 June 2022A sustainable, healthier, safer, high-quality ready-to-eat (RTE) seafood product from discards and byproducts, as well as algae, to meet the 65+ adults’ needs and reduce food lossN
Hacia la industria alimentaria 4.0
No full textCongreso Internacional de Ingeniería con Impacto Social, Medellín, 5 de septiembre de 2019Peer reviewe
Investigating key metabolic features of yeast species in batch fermentation with a dynamic genome scale model
No full text8th Conference on Physiology of Yeasts and Filamentous Fungi (PYFF8), Cork, Ireland, 5-8 June 2023N
Algoritmos eficientes para la optimización dinámica de procesos distribuidos
No full textMuchos de los procesos de la industria químicam biotecnológica y alimentaria transcurren en modo discontinuo o semicontinuo. Por ello, su descripción debe realizarse mediante modelos dinámicos constituidos por ecuaciones diferenciales y algebraicas frecuentemente no lineales. A menudo, es preciso además incorporar la dependencia espacial de las variables de estado relevantes mediante sistemas de ecuaciones en derivadas parciales (procesos distribuidos).
A fin de calcular las mejores políticas de operación de dichos procesos (control óptimo), es preciso disponer de técnicas de optimización dinámica robustas y
eficientes con las que hacer frente a las dificultades que surgen de la presencia de restricciones sobre estados y controles y al carácter multimodal (no convexo) derivado
de posibles discontinuidades y a la no linealidad intrínseca de estos procesos.
En esta tesis se ha adopatado el esquema de parametrización de control y se ha perseguido aumentar la eficiencia y robustez de la resolución del NLP externo así como disminuir en lo posible el coste computacional de la resolución del problema de valor inicial asociado. Para ello se proponen en primer lugar nuevos métodos deterministas de optimización dinámica
que hacen uso del cálculo eficiente de las sensibilidades paramétricas de primer y segundo orden para evaluar de forma muy eficiente el gradiente y el Hessiano
o Hessiano proyectado de la función objetivo. Por otra parte, dada la frecuente
no convexidad del NLP se propone un nuevo método híbrido que combina un método estocástico de carácter global con un método determinista local. Esto permite sumar sus ventajas a la vez que se evitan varios de sus inconvenientes.
Estas nuevas metodologías se aplican a la solución de diversos problemas de complejidad crecientetomados de la bibliografía reciente y de gran interés en los sectores químico y biotecnológico. Por último se presenta la aplicación de estos
nuevos métodos a la resolución de problemas asociados a procesos distribuidos. Para la resolución de los problemas de valor inicial se considera el uso del método numérico de las líneas y el método de elementos finitos que transforman las ecuaciones en derivadas parciales originales en un conjunto de ecuaciones diferenciales y algebraicas de dimensión elevada. Estas metodologías se aplican al cálculo de las políticas óptimas de operación de un conjunto de problemas distribuidos incluyendo dos de especial relevancia para la industria alimentaria la esterilización térmica de alimentos y el procesamiento térmico de alimentos en hornos mixtos microondas convección.
Dado que el proceso de simulación de sistemas distribuidos requiere un tiempo de computación significativo se presenta, en la última parte del trabajo, una metodología que basada en la proyección del modelo distribuido sobre hiperplanos de dimensión
baja permite reducir su orden manteniendo sus propiedades de representación. Las
grandes ventajas del uso de modelos de orden reducido se ilustran con su aplicación
a la simulación, diseño y optimización dinámica del proceso de esterilización térmica de alimentos.Este trabajo se ha enmarcado en el desarrollo de un proyecto financiado por la
Comunidad Europea FAIR CT96-1192, una extensión financiada por la Comisión
Interministerial de Ciencia y Tecnología CICyT ALI97-1939-CE, y una beca predoctoral concedida por la Excma. Diputación de Pontevedra.Peer reviewe
Ecological models to predict microbial interactions
No full textPoster.-- Encontros IIM Primeira fase, 12 de decembro de 2019Peer reviewe
- …
