Due approcci perfezionati allo studio della competizione in comunità batteriche

Le comunità microbiche sono onnipresenti in natura, e giocano ruoli fondamentali in moltissimi processi naturali (come cicli biogeochimici e processi di produzione industriale). Nonostante la loro importanza, ci sono ancora molti aspetti delle comunità microbiche che non comprendiamo appieno. In questa Tesi vengono proposti due miglioramenti all'approccio nello studio della competizione in comunità microbiche che possono aiutarci in questa direzione. Il framework teorico sul quale si fonda il lavoro di questa Tesi è il modello consumer-resource di MacArthur, comunemente utilizzato per descrivere matematicamente la competizione fra specie microbiche. Il primo miglioramento consiste nell'introduzione di un principio di ottimizzazione nella dinamica di questo tipo di sistemi, di modo tale da includere nei modelli matematici il fatto (ben noto sperimentalmente) che i batteri possono passare da una fonte di energia all'altra a seconda delle condizioni ambientali. In particolare, in questa Tesi si impone che ogni specie faccia ciò con l'obiettivo di massimizzare il proprio tasso di crescita, e si esplorano le conseguenze di questa scelta sulla biodiversità di comunità competitive, confrontando anche il modello con dati sperimentali. Dopodiché, in questa Tesi il consumer-resource framework viene riconsiderato alla luce di evidenze sperimentali che mostrano come l'allocazione delle risorse cellulari interne influenzi la crescita di specie microbiche. Questo nuovo framework descrive le comunità a un livello intermedio di complessità, consentendo di esplorare la relazione fra dinamica delle popolazioni e metabolismo microbico, una relazione che ha attirato l'attenzione della comunità scientifica di recente. Le predizioni di questo nuovo framework vengono confrontate con dati sperimentali in un caso semplice, dopodiché il modello e le sue predizioni vengono studiati analiticamente e numericamente per capire come la biodiversità possa essere mantenuta in comunità competitive.

Microbial communities are ubiquitous and play crucial roles in many natural processes (e.g., biogeochemical cycles and industrial processes). Despite their importance, however, there are still many aspects of microbial community dynamics that we do not fully understand. In this Thesis we provide two improvements to the approach used to study competition in microbial communities that can help us in this direction. The theoretical framework on which we build is MacArthur's consumer-resource model, commonly used to describe mathematically competition between microbes. The first improvement consists in introducing an optimization principle in the dynamics of such systems, so that we can include in mathematical models the well known fact that microbes can switch between different energy sources depending on environmental conditions. We require that each species does so in order to maximize its own relative fitness, and we explore the consequences of this choice on the biodiversity of competitive communities, comparing also the model with experimental data. Then, we reconsider the consumer-resource framework in light of experimental evidence showing that the allocation of cellular internal resources affects microbial growth. This new framework describes community dynamics at an intermediate level of complexity, allowing us to explore the relationship between population dynamics and microbial metabolism, which has attracted the attention of the scientific community in recent years. We compare the predictions of our new model with experimental data in a simple case, and then we study its predictions analytically and numerically to understand how biodiversity in competitive communities can be maintained.