Model of Bacterial Conjugation using a Cellular Automaton and Evolutionary Computation

Abstract

This thesis presents a model based on cellular automata and evolutionary computation, the purpose of the model is to abstract the behaviour and properties of a bacterial colony. In the bacterial colony, each bacterium has a set of properties and interacts with the environment and other bacteria. Depending on environment characteristics, a bacterium can carry out a set of actions (to reproduce itself, transfer plasmids, die). The obtained results show that the application of the correct use of antibiotics (the correct type of antibiotics, at the correct generation, with the correct dosis) may cause the extinction of the bacterial colony; on the opposite, the antibiotic resistance is obtained as emergent property in the bacterial colony if the mechanism of action of antibiotics is not appropriate.

Resumen. Esta tesis presenta un modelo basado en autómatas celulares y computación evolutiva que permite abstraer el comportamiento de una población bacteriana en un ambiente hóstil. Se define un ecosistema donde convive una población de bacterias y a cada bacteria se le definen un conjunto de propiedades; las bacterias interactúan con el ambiente y con las bacterias que la rodean permitiendo que la colonia bacteriana evolucione. En las bacterias a través de varias generaciones pueden surgir mutaciones, procesos de conjugación y muerte de manera natural o a causa de la acción de antibióticos. Los resultados experimentales muestran que el uso de un antibiótico apropiado, con la dosis apropiada, puede causar la desaparición de la colonia bacteriana; al contrario, si el proceso de suministro de antibióticos no es el apropiado, se genera la resistencia a antibióticos como una propiedad emergente en la colonia bacteriana.