Heterogeneity in Salmonella individual cell behavior as variability source in population inactivation dynamics
Authors: Ασπρίδου Ζαφειρώ 
Published: September 2021

Τα περισσότερα μοντέλα στο πεδίο της Ποσοτικής Μικροβιολογίας περιγράφουν αιτιοκρατικά τη συμπεριφορά μικροβιακών πληθυσμών ως μία ολότητα χωρίς να λαμβάνονται υπόψη τα μεμονωμένα κύτταρα. Μόνο πρόσφατα, στο πλαίσιο της Ανάλυσης Επικινδυνότητας αναγνωρίστηκε η σημασία της ετερογένειας των μεμονωμένων κυττάρων. Βακτηριακά κύτταρα κλονικών πληθυσμών διαφέρουν σημαντικά σε ένα αριθμό φαινοτυπικών χαρακτηριστικών. Κάνοντας ιδιαίτερη αναφορά στη μικροβιακή αδρανοποίηση, μία πληθώρα μοντέλων είναι διαθέσιμα με την τιμή D να αποτελεί ακρογωνιαίο λίθο από τη δεκαετία του 1920. Tα αιτιοκρατικά μοντέλα αδρανοποίησης δεν λαμβάνουν υπόψη την παραλλακτικότητα παραγόντων που επηρεάζουν τις μικροβιακές αποκρίσεις και την ετερογένεια στην ανθεκτικότητα των μεμονωμένων κυττάρων σε θανατηφόρες καταπονήσεις. Στην παρούσα διατριβή, η συμπεριφορά αδρανοποίησης μεμονωμένων κυττάρων εκτιμήθηκε και αξιολογήθηκε ως πηγή παραλλακτικότητας στη συμπεριφορά αδρανοποίησης του μικροβιακού πληθυσμού. Μία στατιστική προσέγγιση μοντελοποίησης με βάση την κατανομή πιθανοτήτων του χρόνου θανάτου των μεμονωμένων κυττάρων εφαρμόστηκε και βρέθηκε ότι η ετερογένεια στον χρόνο αυτό αποτελεί πηγή παραλλακτικότητας για τη δυναμική της αδρανοποίησης του πληθυσμού. Η κατανομή των χρόνων αδρανοποίησης χρησιμοποιήθηκε για την πρόβλεψη της αδρανοποίησης διάφορων αρχικών πληθυσμών Salmonella enterica ορότυπος Agona μέσω της προσομοίωσης Monte Carlo. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι η τιμή D είναι έγκυρη μόνο για υψηλούς μικροβιακούς πληθυσμούς. Η παραλλακτικότητα είναι ελάχιστη στην προβλεπόμενη συμπεριφορά αδρανοποίησης για συγκεντρώσεις μέχρι 100 κυττάρων. Ωστόσο, καθώς η μικροβιακή συγκέντρωση μειώνεται κάτω από τα 100 κύτταρα, η παραλλακτικότητα αυξάνεται σημαντικά. Σε αυτά τα επίπεδα πληθυσμού, η τιμή D εμφανίζει έντονη παραλλακτικότητα, η οποία προέρχεται από την ετερογένεια των μεμονωμένων κυττάρων και έτσι, χαρακτηρίζεται καλύτερα από μία κατανομή πιθανοτήτων παρά από μία μεμονωμένη τιμή. Η συμπεριφορά αδρανοποίησης μεμονωμένων κυττάρων εκτιμήθηκε τόσο έμμεσα όσο και άμεσα μέσω μίας μικροσκοπικής μεθόδου time lapse σε συνδυασμό με την κατάλληλη χρώση-δείκτη για την κυτταρική βιωσιμότητα. Τα μοντέλα του πεδίου της μικροβιολογίας τροφίμων, μολονότι εφαρμόζονται αιτιοκρατικά, φαίνεται ότι γενικά παρέχουν έγκυρες προβλέψεις της μικροβιακής συμπεριφοράς κάτω από ιδανικές ή θανατηφόρες συνθήκες. Ωστόσο, όταν οι συνθήκες γίνονται πιο σύνθετες και τείνουν προς το όριο της ανάπτυξης αναμένεται ότι τα αιτιοκρατικά μοντέλα που βασίζονται στο επίπεδο του πληθυσμού επιδεικνύουν χαμηλή επίδοση όσον αφορά στην πρόβλεψη της συμπεριφοράς ολόκληρου του πληθυσμού. Με βάση αυτή την θεώρηση, διερευνήθηκε ο ρόλος της ετερογένειας των μεμονωμένων κυττάρων σε περιβαλλοντικές συνθήκες κοντά στο όριο της ανάπτυξης στη δυναμική του πληθυσμού. Τα ευρήματα επιβεβαίωσαν την αναμενόμενη ετερογένεια στις αποκρίσεις των μεμονωμένων κυττάρων γεγονός το οποίο κάτω από συγκεκριμένες συνθήκες μπορεί να οδηγήσει σε ταυτόχρονη συνύπαρξη ενός διαιρούμενου μέρους του πληθυσμού, ενός το οποίο απλά επιβιώνει και ενός το οποίο αδρανοποιείται. Συνολικά, η μελέτη της μικροβιακής ατομικότητας και η ποσοτική εκτίμηση της παραλλακτικότητας στη μικροβιακή αδρανοποίηση μπορούν να αποτελέσουν την βάση για τα στοχαστικά μοντέλα αδρανοποίησης με σκοπό την ανάπτυξη ή τη βελτίωση των σχεδιασμών των επεξεργασιών τροφίμων και των διαδικασιών εξυγίανσης σε μία προσέγγιση με βάση την επικινδυνότητα καθώς και μπορούν να συμβάλλουν στην βελτίωση της ακρίβειας των μοντέλων εκτίμησης επικινδυνότητας.