Rue Queralt, Pau
Total activity: 9
Department
Department of Physics and Nuclear Engineering
E-mail
pau.rueestudiant.upc.edu
Contact details
UPC directory Open in new window
ResearcherID
E-5339-2010 Open in new window

Graphic summary
  • Show / hide key
  • Information


Scientific and technological production
  •  

1 to 9 of 9 results
  • Transient and stochastic dynamics in cellular processes  Open access

     Rue Queralt, Pau
    Defense's date: 2013-07-25
    Department of Applied Physics, Universitat Politècnica de Catalunya
    Theses

    Read the abstract Read the abstract Access to the full text Access to the full text Open in new window  Share Reference managers Reference managers Open in new window

    En aquesta Tesi s'estudien diferents processos intracel·lulars i de poblacions cel·lulars regits per dinàmica estocàstica i no lineal.El problemes biològics tractats graviten al voltant el concepte de dinàmica transitòria i de relaxació d'un estat dinàmic pertorbat a l'estat estacionari. En aquest sentit, en tots els processos estudiats, les fluctuacions estocàstiques, presents intrínsecament o aplicades de forma externa, hi tenen un paper constructiu, ja sigui empenyent els sistemes fora de l'equilibri, interferint amb les lleis deterministes subjacents, o establint els nivells d¿heterogeneïtat necessaris.La primera part de la Tesi es dedica a l'estudi de processos cel·lulars transitoris regulats genèticament. En ella analitzem des d'un punt de vista teòric tres circuits genètics de control de polsos excitables i, contràriament al que s¿havia especulat anteriorment, establim que tots ells poden treballar en dos tipus de règim excitable. Analitzem també com, en presència de soroll molecular, aquests circuits excitables poden generar polsos periòdics i multimodals degut a la combinació de dos fenòmens induïts per soroll: l¿estabilització estocàstica d¿estats inestables i la ressonància de coherència.D¿altra banda, estudiem com un mecanisme genètic excitable pot ser el responsable de regular a nivell transcripcional les fluctuacions que s'observen experimentalment en alguns factors de pluripotència en cèl·lules mare embrionàries. En l¿embrió, la pluripotència és un estat cel·lular transitori i la sortida de les cèl·lules d¿aquest sembla que està associada a fluctuacions transcripcionals. En relació al control de la pluripotència, presentem també un nou mecanisme basat en la regulació post-traduccional d'un petit conjunt de 4 factors de pluripotència. El model teòric proposat, basat en la formació de complexos entre els diferents factors de pluripotència, l'hem validat mitjançant experiments quantitatius en cèl·lules individuals. El model postula que l¿estat de pluripotència no depèn dels nivells cel·lulars d¿un únic factor, sinó d¿un equilibri de correlacions entre diverses proteïnes. A més, prediu el fenotip de cèl·lules mutants i suggereix que la funció reguladora de les interaccions entre les quatre proteïnes és la d¿esmorteir l¿activitat transcripcional d¿Oct4, un dels principals factors de pluripotència.En el segon apartat de la Tesi estudiem el comportament d¿una xarxa computacional de senyalització cel·lular de fibroblast humà en presència de senyals externs fluctuants i cíclics. Els resultats obtinguts mostren que la xarxa respon de forma no trivial a les fluctuacions ambientals, fins i tot en presència d¿una senyal externa. Diferents nivells de soroll permeten modular la resposta de la xarxa, mitjançant la selecció de rutes alternatives de transmissió de la informació.Finalment, estudiem la dinàmica de poblacions cel·lulars durant la formació de biofilms, pel·lícules arrugades d¿aglomerats de bacteris que conformen un dels exemples més simples d¿estructures multicel·lulars auto-organitzades. En aquesta Tesi presentem un model espai-temporal de creixement i mort cel·lular motivat per l¿evidència experimental sobre l¿aparició de patrons de mort massiva de bacteris previs a la formació de les arrugues dels biofilms. Aquests patrons localitzats concentren les forces mecàniques durant l¿expansió del biofilm i inicien la formació de les arrugues característiques. En aquest sentit, el model proposat explica com es formen els patrons de mort a partir dels canvis de mobilitat dels bacteris deguts a la producció de matriu extracel·lular combinats amb un creixement espacialment heterogeni. Una important predicció del model és que la producció de matriu és un procés clau per a l¿aparició dels patrons i, per tant de les arrugues. En aquest aspecte, els nostres resultats experimentals en bacteris mutants que no produeixen components essencials de la matriu, confirmen les prediccions.

    This Thesis studies different cellular and cell population processes driven by non-linear and stochastic dynamics. The problems addressed here gravitate around the concepts of transient dynamics and relaxation from a perturbed to a steady state. In this regard, in all processes studied, stochastic fluctuations, either intrinsically present in or externally applied to these systems play an important and constructive role, by either driving the systems out of equilibrium, interfering with the underlying deterministic laws, or establishing suitable levels of heterogeneity. The first part of the Thesis is committed the analysis of genetically regulated transient cellular processes. Here, we analyse, from a theoretical standpoint, three genetic circuits with pulsed excitable dynamics. We show that all circuits can work in two different excitable regimes, in contrast to what was previously speculated. We also study how, in the presence of molecular noise, these excitable circuits can generate periodic polymodal pulses due to the combination of two noise induced phenomena: stabilisation of an unstable spiral point and coherence resonance. We also studied an excitable genetic mechanism for the regulation of the transcriptional fluctuations observed in some pluripotency factors in Embryonic Stem cells. In the embryo, pluripotency is a transient cellular state and the exit of cells from it seems to be associated with transcriptional fluctuations. In regard to pluripotency control, we also propose a novel mechanism based on the post-translational regulation of a small set of four pluripotency factors. We have validated the theoretical model, based on the formation of binary complexes among these factors, with quantitative experimental data at the single-cell level. The model suggests that the pluripotency state does not depend on the cellular levels of a single factor, but rather on the equilibrium of correlations between the different proteins. In addition, the model is able to anticipate the phenotype of several mutant cell types and suggests that the regulatory function of the protein interactions is to buffer the transcriptional activity of Oc4, a key pluripotency factor. In the second part of the Thesis we studied the behaviour of a computational cell signalling network of the human fibroblast in the presence of external fluctuations and signals. The results obtained here indicate that the network responds in a nontrivial manner to background chatter, both intrinsically and in the presence of external periodic signals. We show that these responses are consequence of the rerouting of the signal to different network information-transmission paths that emerge as noise is modulated. Finally, we also study the cell population dynamics during the formation of microbial biofilms, wrinkled pellicles of bacteria glued by an extracellular matrix that are one of the simplest cases of self-organised multicellular structures. In this Thesis we develop a spatiotemporal model of cellular growth and death that accounts for the experimentally observed patterns of massive bacterial death that precede wrinkle formation in biofilms. These localised patterns focus mechanical forces during biofilm expansion and trigger the formation of the characteristic ridges. In this sense, the proposed model suggests that the death patterns emerge from the mobility changes in bacteria due to the production of extracellular matrix and the spatially inhomogeneous cellular growth. An important prediction of the model is that matrix productions is crucial for the appearance of the patterns and, therefore for winkle formation. We have also experimentally validated validated this prediction with matrix deficient bacterial strains, which show neither death patterns nor wrinkles.

    En aquesta Tesi s’estudien diferents processos intracel·lulars i de poblacions cel·lulars regits per dinàmica estocàstica i no lineal. El problemes biològics tractats graviten al voltant el concepte de dinàmica transitòria i de relaxació d’un estat dinàmic pertorbat a l’estat estacionari. En aquest sentit, en tots els processos estudiats, les fluctuacions estocàstiques, presents intrínsecament o aplicades de forma externa, hi tenen un paper constructiu, ja sigui empenyent els sistemes fora de l’equilibri, interferint amb les lleis deterministes subjacents, o establint els nivells d’heterogeneïtat necessaris. La primera part de la Tesi es dedica a l’estudi de processos cel·lulars transitoris regulats genèticament. En ella analitzem des d’un punt de vista teòric tres circuits genètics de control de polsos excitables i, contràriament al que s’havia especulat anteriorment, establim que tots ells poden treballar en dos tipus de règim excitable. Analitzem també com, en presència de soroll molecular, aquests circuits excitables poden generar polsos periòdics i multimodals degut a la combinació de dos fenòmens induïts per soroll: l’estabilització estocàstica d’estats inestables i la ressonància de coherència. D’altra banda, estudiem com un mecanisme genètic excitable pot ser el responsable de regular a nivell transcripcional les fluctuacions que s’observen experimentalment en alguns factors de pluripotència en cèl·lules mare embrionàries. En l’embrió, la pluripotència és un estat cel·lular transitori i la sortida de les cèl·lules d’aquest sembla que està associada a fluctuacions transcripcionals. En relació al control de la pluripotència, presentem també un nou mecanisme basat en la regulació post-traduccional d’un petit conjunt de 4 factors de pluripotència. El model teòric proposat, basat en la formació de complexos entre els diferents factors de pluripotència, l’hem validat mitjançant experiments quantitatius en cèl·lules individuals. El model postula que l’estat de pluripotència no depèn dels nivells cel·lulars d’un únic factor, sinó d’un equilibri de correlacions entre diverses proteïnes. A més, prediu el fenotip de cèl·lules mutants i suggereix que la funció reguladora de les interaccions entre les quatre proteïnes és la d’esmorteir l’activitat transcripcional d’Oct4, un dels principals factors de pluripotència. En el segon apartat de la Tesi estudiem el comportament d’una xarxa computacional de senyalització cel·lular de fibroblast humà en presència de senyals externs fluctuants i cíclics. Els resultats obtinguts mostren que la xarxa respon de forma no trivial a les fluctuacions ambientals, fins i tot en presència d’una senyal externa. Diferents nivells de soroll permeten modular la resposta de la xarxa, mitjançant la selecció de rutes alternatives de transmissió de la informació. Finalment, estudiem la dinàmica de poblacions cel·lulars durant la formació de biofilms, pel·lícules arrugades d’aglomerats de bacteris que conformen un dels exemples més simples d’estructures multicel·lulars autoorganitzades. En aquesta Tesi presentem un model espai-temporal de creixement i mort cel·lular motivat per l’evidència experimental sobre l’aparició de patrons de mort massiva de bacteris previs a la formació de les arrugues dels biofilms. Aquests patrons localitzats concentren les forces mecàniques durant l’expansió del biofilm i inicien la formació de les arrugues característiques. En aquest sentit, el model proposat explica com es formen els patrons de mort a partir dels canvis de mobilitat dels bacteris deguts a la producció de matriu extracel·lular combinats amb un creixement espacialment heterogeni. Una important predicció del model és que la producció de matriu és un procés clau per a l’aparició dels patrons i, per tant de les arrugues. En aquest aspecte, els nostres resultats experimentals en bacteris mutants que no produeixen components essencials de la matriu, confirmen les prediccions.

  • Correlations between the levels of Oct4 and nanog as a signature for naive pluripotency in mouse embryonic stem cells

     Muñoz Descalzo, Silvia; Rue Queralt, Pau; Garcia Ojalvo, Jorge; Martinez Arias, Alfonso
    Stem cells
    Date of publication: 2012-12
    Journal article

    View View Open in new window  Share Reference managers Reference managers Open in new window

  • Localized cell death focuses mechanical forces during 3D patterning in a biofilm

     Asally, M.; Kittisopikul, M.; Rue Queralt, Pau; Du, Yingjie; Hu, Zheng; Cagatay, Tolga; Robinson, A.B.; Lu, Hongliang; Garcia Ojalvo, Jorge; Süel, Gürol M.
    Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America
    Date of publication: 2012-11-13
    Journal article

    View View Open in new window  Share Reference managers Reference managers Open in new window

  • Exploring the dynamics of Boolean networks using Python: application to cell signaling networks

     Pons Rivero, Antonio Javier; Abad, Elena; Rue Queralt, Pau
    Workshop IBERSINC
    Presentation's date: 2012-09-04
    Presentation of work at congresses

     Share Reference managers Reference managers Open in new window

  • Access to the full text
    Optimizing periodicity and polymodality in noise-induced genetic oscillators  Open access

     Rue Queralt, Pau; Süel, Gürol M.; Garcia Ojalvo, Jorge
    Physical review E: statistical, nonlinear, and soft matter physics
    Date of publication: 2011
    Journal article

    Read the abstract Read the abstract Access to the full text Access to the full text Open in new window  Share Reference managers Reference managers Open in new window

    Many cellular functions are based on the rhythmic organization of biological processes into self-repeating cascades of events. Some of these periodic processes, such as the cell cycles of several species, exhibit conspicuous irregularities in the form of period skippings, which lead to polymodal distributions of cycle lengths. A recently proposed mechanism that accounts for this quantized behavior is the stabilization of a Hopf-unstable state by molecular noise. Here we investigate the effect of varying noise in a model system, namely an excitable activator-repressor genetic circuit, that displays this noise-induced stabilization effect. Our results show that an optimal noise level enhances the regularity (coherence) of the cycles, in a form of coherence resonance. Similar noise levels also optimize the multimodal nature of the cycle lengths. Together, these results illustrate how molecular noise within a minimal gene regulatory motif confers robust generation of polymodal patterns of periodicity.

  • Gene circuit designs for noisy excitable dynamics

     Rue Queralt, Pau; Garcia Ojalvo, Jorge
    Mathematical biosciences
    Date of publication: 2011-05
    Journal article

    View View Open in new window  Share Reference managers Reference managers Open in new window

  • Access to the full text
    Simulation methods with extended stability for stiff biochemical Kinetics  Open access

     Rue Queralt, Pau; Villà-Freixa, Jordi; Burrage, Kevin
    BMC systems biology
    Date of publication: 2010-08-11
    Journal article

    Read the abstract Read the abstract Access to the full text Access to the full text Open in new window  Share Reference managers Reference managers Open in new window

    Background: With increasing computer power, simulating the dynamics of complex systems in chemistry and biology is becoming increasingly routine. The modelling of individual reactions in (bio)chemical systems involves a large number of random events that can be simulated by the stochastic simulation algorithm (SSA). The key quantity is the step size, or waiting time, τ, whose value inversely depends on the size of the propensities of the different channel reactions and which needs to be re-evaluated after every firing event. Such a discrete event simulation may be extremely expensive, in particular for stiff systems where τ can be very short due to the fast kinetics of some of the channel reactions. Several alternative methods have been put forward to increase the integration step size. The so-called τ-leap approach takes a larger step size by allowing all the reactions to fire, from a Poisson or Binomial distribution, within that step. Although the expected value for the different species in the reactive system is maintained with respect to more precise methods, the variance at steady state can suffer from large errors as τ grows. Results: In this paper we extend Poisson τ-leap methods to a general class of Runge-Kutta (RK) τ-leap methods. We show that with the proper selection of the coefficients, the variance of the extended τ-leap can be wellbehaved, leading to significantly larger step sizes. Conclusions: The benefit of adapting the extended method to the use of RK frameworks is clear in terms of speed of calculation, as the number of evaluations of the Poisson distribution is still one set per time step, as in the original τ-leap method. The approach paves the way to explore new multiscale methods to simulate (bio)chemical systems.

  • DINAMICA NOLINEAL Y ESTOCASTICA EN SISTEMAS FISICOS Y BIOFISICOS

     Zamora Munt, Jordi; Masoller Alonso, Cristina; Domedel Puig, Nuria; Torrent Serra, Maria Del Carmen; Espinar Calvo, Maria Lorena; De Sancristobal Alonso, Belen; Pons Rivero, Antonio Javier; Tiana Alsina, Jordi; Rue Queralt, Pau; Dies Miracle, Marta; Garcia Ojalvo, Jorge
    Participation in a competitive project

     Share

  • The histone variant macroH2A is an epigenetic regulator of key developmental genes

     Buschbeck, Markus; Uribesalgo, Iris; Wibowo, Indra; Rue Queralt, Pau; Martín, David; Gutiérrez, Arantxa; Morey, Lluis; Guigó, Roderic; López-Schier, Hernán; Di Croce, Luciano
    Nature structural and molecular biology
    Date of publication: 2009-09-06
    Journal article

    Read the abstract Read the abstract View View Open in new window  Share Reference managers Reference managers Open in new window

    The histone variants macroH2A1 1 and macroH2A2 are associated with X chromosome inactivation in female mammals. However, the physiological function of macroH2A proteins on autosomes is poorly understood. Microarray-based analysis in human male pluripotent cells uncovered occupancy of both macroH2A variants at many genes encoding key regulators of development and cell fate decisions. On these genes, the presence of macroH2A1+2 is a repressive mark that overlaps locally and functionally with Polycomb repressive complex 2. We demonstrate that macroH2A1+2 contribute to the fine-tuning of temporal activation of HOXA cluster genes during neuronal differentiation. Furthermore, elimination of macroH2A2 function in zebrafish embryos produced severe but specific phenotypes. Taken together, our data demonstrate that macroH2A variants constitute an important epigenetic mark involved in the concerted regulation of gene expression programs during cellular differentiation and vertebrate development.