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The phytohormone auxin is implied in steering various developmental decisions during plant morphogenesis in a concentration-dependent manner. Auxin maxima have been shown to maintain meristematic activity, for example, of the root apical meristem, and position new sites of outgrowth, such as during lateral root initiation and phyllotaxis. More recently, it has been demonstrated that sites of auxin minima also provide positional information. In the developing Arabidopsis fruit, auxin minima are required for correct differentiation of the valve margin. It remains unclear, however, how this auxin minimum is generated and maintained. Here, we employ a systems biology approach to model auxin transport based on experimental observations. This allows us to determine the minimal requirements for its establishment. Our simulations reveal that two alternative processes—which we coin “flux-barrier” and “flux-passage”—are both able to generate an auxin minimum, but under different parameter settings. Both models are in principle able to yield similar auxin profiles but present qualitatively distinct patterns of auxin flux. The models were tested by tissue-specific inducible ablation, revealing that the auxin minimum in the fruit is most likely generated by a flux-passage process. Model predictions were further supported through 3D PIN localization imaging and implementing experimentally observed transporter localization. Through such an experimental–modeling cycle, we predict how the auxin minimum gradually matures during fruit development to ensure timely fruit opening and seed dispersal.

Esta dissertação investiga os processos que levam células a se organizarem em certas configurações, focando propriedades topológicas, geométricas e aquelas originadas na sua dinâmica. Para tanto, começamos revisando propriedades de topologia de equilíbrio de sistemas que minimizam áreas de contato entre células. Prosseguimos com o estudo de estruturas de células biológicas, incorporando as devidas modificações provenientes das propriedades biológicas, sendo introduzida, por exemplo, a Hipótese da Adesão Diferenciada formulada por Steinberg (1975). Suas implicações são estudadas utilizando o Modelo Celular de Potts ao realizar simulações de Monte Carlo. Mostramos resultados das dinâmicas de reagrupamento celular que é um dos processos que ocorre na embriogênese e morfogênese, em que células se redistribuem de modo a formar padrões típicos. É feita uma análise, tanto teórica quanto por simulações, de como interações adesivas entre tipos diferentes de células, e estas com o meio, influenciam a evolução destas configurações. A seguir, tornamos evidente analogias entre tecidos e fluidos imiscíveis, de modo a explorar não apenas a influência de coesões e adesões celulares, como também propriedades viscoelásticas e de tensões superficiais apresentadas pelos agregados - estruturas macroscópicas constituídas por muitas subunidades celulares. Acompanhando os resultados teóricos, apresentamos observações experimentais de reorganização celular a partir de agregados aleatórios de células de hidras. A reorganização celular destes agregados é estudada a partir das configurações iniciais aleatórias até o momento em que se estabelece uma esfera com cavidade formada por duas camadas epiteliais, endoderme e ectoderme Neste estágio ocorrem os bursts, eventos de ruptura reversíveis do tecido superficial do agregado com expulsão do conteúdo contido na cavidade. É proposto um estudo via simulações deste fenômeno a fim de elucidar as propriedades básicas de deformações, adesões e movimentos de células num tecido. Ainda no contexto experimental, realizamos outras medidas nos agregados de hidra, como a obtenção de tensões superficiais e registro da dinâmica de arredondamento. Finalmente, unimos as considerações sobre topologias de estruturas celulares com as propriedades emergentes de interações de adesão com mais um elemento, mitose. Apresentamos modelos de crescimento celular e discutimos suas características para a dinâmica populacional de células. Ao introduzir dados sobre comportamentos regulatórios de proliferação celular, colocamos ênfase no estudo das patologias ao estudar câncer utilizando o Modelo de Gompertz como descrição da proliferação. Realizamos experiências utilizando 6 linhagens cancerígenas diferentes e propomos uma interpretação biológica dos parâmetros matemáticos que descrevem o crescimento. A hipótese por nós levantada é de que a forma da célula influencia no seu comportamento. Verificamos a viabilidade de tal hipótese através de uma série de simulações por Modelo Celular de Potts. Os resultados gerados se assemelham aos dados experimentais, de maneira que chegamos a conclusão final que processos intrínsecos regulatórios de uma célula (no caso o ciclo mitótico), propriedades adesivas de células, características fenotípicas e distribuições topológicas de um tecido, são intimamente interligados.

Tese de mestrado, Bioinformática e Biologia Computacional (Biologia Computacional), Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2014 Submitted by Teresa Boa (tdboa@fc.ul.pt) on 2015-04-21T13:44:48Z No. of bitstreams: 1 ulfc112252_tm_Tiago_Maié.pdf: 12703748 bytes, checksum: c54679b6e6b87880a41ae47cbf34d4c0 (MD5) Made available in DSpace on 2015-04-21T13:44:57Z (GMT). No. of bitstreams: 1 ulfc112252_tm_Tiago_Maié.pdf: 12703748 bytes, checksum: c54679b6e6b87880a41ae47cbf34d4c0 (MD5) Previous issue date: 2014