基于格子气自动机的铜绿假单胞菌生物膜生长机理研究

Pseudomonas aeruginosa?is Gram-negative and is a paradigm organism for the study of biofilms.Attention is the study on the development of P.aeruginosa biofilms.Mathematical Modeling is one of effective tools to study the formation,growth,maturity,detachment of P.aeruginosa biofilms.We use the Lattice Gas Automaton to study and modeling,using the Cellular Automata to simulate the reproduction of bacterial cells and extracellular polymeric substance,combining the fluid mechanics to represent the flow field,establishing a multicomponent three-dimension model based Lattice Gas Automation.We will do the computer simulation,comparing the simulation result with the bioexperiment,then we should find the influence mechanism of biofilm development by the multi-factor quorum sensing,cyclis-di-GMP,flow field,different kind of bacterial cells etc.

铜绿假单胞菌属于革兰氏阴性菌属，是进行生物膜相关内容研究的模式菌种。该菌种生物膜生长机理的研究一直受到关注。数学建模是研究该菌种生物膜形成、生长、成熟分离的有力工具之一，本项目采用格子气自动机作为研究和建模的方法，利用元胞自动机模拟菌细胞自繁殖与胞外多聚物分泌，结合流体力学理论描述该菌生存的流场环境，建立一个基于格子气自动机的多组分三维模型，使用计算机进行仿真，将仿真结果与生物实验进行对比验证，揭示出密度感应信号系统、环鸟苷二磷酸、流场环境、不同种菌株等多因素对生物膜形成、生长的影响机理。

铜绿假单胞菌是生物膜研究的模式菌，在生长过程中通过分泌胞外多糖，结合生长环境中存在的水，营养物质，菌体等，形成生物膜这种特殊结构。我们基于数学模型与计算机仿真的方法，对生物膜生长过程进行模拟与仿真，研究生长过程中的机理。考虑到该菌种生物膜的生长环境,存在密度信号感应系统、流场环境、不同种菌株等多因素,我们使用格子气自动机结合偏微分方程中的渗透压，多元相场等理论，建立了多组分的生物膜生长动力学模型.通过计算机仿真，证明该模型能够描述生长过程中膜内各组分的生长和消耗，符合铜绿假单胞菌生物膜的生长规律。