Theoretical conditions for the coexistence of viral strains with differences in phenotypic traits : A bifurcation analysis

Altres ajuts: CERCA Programme/Generalitat de CatalunyaWe investigate the dynamics of a wild-type viral strain which generates mutant strains differing in phenotypic properties for infectivity, virulence and mutation rates. We study, by means of a mathematical model and bifurcation analysis, conditions under which the wild-type and mutant viruses, which compete for the same host cells, can coexist. The coexistence conditions are formulated in terms of the basic reproductive numbers of the strains, a maximum value of the mutation rate and the virulence of the pathogens. The analysis reveals that parameter space can be divided into five regions, each with distinct dynamics, that are organized around degenerate Bogdanov-Takens and zero- Hopf bifurcations, the latter of which gives rise to a curve of transcritical bifurcations of periodic orbits. These results provide new insights into the conditions by which viral populations may contain multiple coexisting strains in a stable manner

Prevalence of persistent SARS-CoV-2 in a large community surveillance study

Persistent SARS-CoV-2 infections may act as viral reservoirs that could seed future outbreaks 1–5, give rise to highly divergent lineages 6–8, and contribute to cases with post-acute COVID-19 sequelae (Long Covid) 9,10. However, the population prevalence of persistent infections, their viral load kinetics, and evolutionary dynamics over the course of infections remain largely unknown. Using viral sequence data collected as part of a national infection survey, we identified 381 individuals with SARS-CoV-2 RNA at high titre persisting for at least 30 days, of which 54 had viral RNA persisting at least 60 days. We refer to these as ‘persistent infections’ since available evidence suggests they represent ongoing viral replication, although the persistence of non-replicating RNA cannot be ruled out in all. Persistently infected individuals had more than 50% higher odds of self-reporting Long Covid compared to non-persistently infected individuals. We estimate that 0.1- 0.5% of infections may become persistent with typically rebounding high viral loads and last for at least 60 days. In some individuals, we identified many viral amino acid substitutions, indicating periods of strong positive selection, while others had no consensus change in the sequences for prolonged periods, consistent with weak selection. Substitutions included mutations that are lineage-defining for SARS-CoV-2 variants, at target sites for monoclonal antibodies, and/or commonly found in immunocompromised patients 11–14. This work has significant implications for understanding and characterising SARS-CoV-2 infection, epidemiology, and evolution

Lineage replacement and evolution captured by 3 years of the United Kingdom Coronavirus (COVID-19) Infection Survey

The Office for National Statistics Coronavirus (COVID-19) Infection Survey (ONS-CIS) is the largest surveillance study of SARS-CoV-2 positivity in the community, and collected data on the United Kingdom (UK) epidemic from April 2020 until March 2023 before being paused. Here, we report on the epidemiological and evolutionary dynamics of SARS-CoV-2 determined by analysing the sequenced samples collected by the ONS-CIS during this period. We observed a series of sweeps or partial sweeps, with each sweeping lineage having a distinct growth advantage compared to their predecessors, although this was also accompanied by a gradual fall in average viral burdens from June 2021 to March 2023. The sweeps also generated an alternating pattern in which most samples had either S-gene target failure (SGTF) or non-SGTF over time. Evolution was characterized by steadily increasing divergence and diversity within lineages, but with step increases in divergence associated with each sweeping major lineage. This led to a faster overall rate of evolution when measured at the between-lineage level compared to within lineages, and fluctuating levels of diversity. These observations highlight the value of viral sequencing integrated into community surveillance studies to monitor the viral epidemiology and evolution of SARS-CoV-2, and potentially other pathogens

Mathematical modelling of pathogen specialisation

L’aparició de nous virus causants de malalties està estretament lligada a l’especialització de subpoblacions virals cap a nous tipus d’amfitrions. La modelització matemàtica proporciona un marc quantitatiu que pot ajudar amb la predicció de processos a llarg termini com pot ser l’especialització. A causa de la naturalesa complexa que presenten les interaccions intra i interespecífiques en els processos evolutius, cal aplicar eines matemàtiques complexes, com ara l’anàlisi de bifurcacions, al estudiar dinàmiques de població. Aquesta tesi desenvolupa una jerarquia de models de població per poder comprendre l’aparició i les dinàmiques d’especialització, i la seva dependència dels paràmetres del sistema. Utilitzant un model per a un virus de tipus salvatge i un virus mutat que competeixen pel mateix amfitrió, es determinen les condicions per a la supervivència únicament de la subpoblació mutant, juntament amb la seva coexistència amb el cep de tipus salvatge. Els diagrames d’estabilitat que representen regions de dinàmiques diferenciades es construeixen en termes de taxa d’infecció, virulència i taxa de mutació; els diagrames s’expliquen en base a les característiques biològiques de les subpoblacions. Per a paràmetres variables, s’observa i es descriu el fenomen d’intersecció i intercanvi d’estabilitat entre diferents solucions sistemàtiques i periòdiques en l’àmbit dels ceps de tipus salvatge i els ceps mutants en competència directa. En el cas de que diversos tipus d’amfitrions estiguin disponibles per a ser disputats per ceps especialitzats i generalistes existeixen regions de biestabilitat, i les probabilitats d’observar cada estat es calculen com funcions de les taxes d’infecció. S’ha trobat un rar atractor caòtic i s’ha analitzat amb l’ús d’exponents de Lyapunov. Això, combinat amb els diagrames d’estabilitat, mostra que la supervivència del cep generalista en un entorn estable és un fet improbable. A més, s’estudia el cas dels diversos ceps N>>1 que competeixen per diferents tipus de cèl·lules amfitriones. En aquest cas s’ha descobert una dependència no monotònica, contraria al que es preveia, del temps d’especialització sobre la mida inicial i la taxa de mutació, com a conseqüència de la realització d’un anàlisi de regressió sobre dades obtingudes numèricament. En general, aquest treball fa contribucions àmplies a la modelització matemàtica i anàlisi de la dinàmica dels patogens i els processos evolutius.La aparición de nuevos virus causantes de enfermedades está estrechamente ligada a la especialización de las subpoblaciones virales hacia nuevos tipos de anfitriones. La modelizaci ón matemática proporciona un marco cuantitativo que puede ayudar a la predicción de procesos a largo plazo como la especialización. Debido a la naturaleza compleja que presentan las interacciones intra e interespecíficas en los procesos evolutivos, aplicar herramientas matemáticas complejas, tales como el análisis de bifurcación, al estudiar dinámicas de población. Esta tesis desarrolla una jerarquía de modelos de población para poder comprender la aparición y las dinámicas de especialización, y su dependencia de los parámetros del sistema. Utilizando un modelo para un virus de tipo salvaje y un virus mutado que compiten por el mismo anfitrión, se determinan las condiciones para la supervivencia únicamente de la subpoblación mutante, junto con su coexistencia con la cepa de tipo salvaje. Los diagramas de estabilidad que representan regiones de dinámicas diferenciadas se construyen en términos de tasa de infección, virulencia y tasa de mutación; los diagramas se explican en base a las características biológicas de las subpoblaciones. Para parámetros variables, se observa y se describe el fenómeno de intersección e intercambio de estabilidad entre diferentes soluciones sistemáticas y periódicas en el ámbito de las cepas de tipo salvaje y las cepas mutantes en competencia directa. En el caso de que varios tipos de anfitriones estén disponibles para ser disputados por cepas especializadas y generalistas existen regiones de biestabilidad, y las probabilidades de observar cada estado se calculan como funciones de las tasas de infección. Se ha encontrado un raro atractor caótico y se ha analizado con el uso de exponentes de Lyapunov. Esto, combinado con los diagramas de estabilidad, muestra que la supervivencia de la cepa generalista en un entorno estable es un hecho improbable. Además, se estudia el caso de los varias cepas N>> 1 que compiten por diferentes tipos de células anfitrionas. En este caso se ha descubierto una dependencia no monotónica, contraria a lo que se preveía, del tiempo de especialización sobre el tamaño inicial y la tasa de mutación, como consecuencia de la realización de un análisis de regresión sobre datos obtenidos numéricamente. En general, este trabajo hace contribuciones amplias a la modelización matemática y el análisis de la dinámica de los patógenos y los procesos evolutivos.The occurrence of new disease-causing viruses is tightly linked to the specialisation of viral sub-populations towards new host types. Mathematical modelling provides a quantitative framework that can aid with the prediction of long-term processes such as specialisation. Due to the complex nature of intra- and interspecific interactions present in evolutionary processes, elaborate mathematical tools such as bifurcation analysis must be employed while studying population dynamics. In this thesis, a hierarchy of population models is developed to understand the onset and dynamics of specialisation and their dependence on the parameters of the system. Using a model for a wild-type and mutant virus that compete for the same host, conditions for the survival of only the mutant subpopulation, along with its coexistence with the wild-type strain, are determined. Stability diagrams that depict regions of distinct dynamics are constructed in terms of infection rates, virulence and the mutation rate; the diagrams are explained in terms of the biological characteristics of the sub-populations. For varying parameters, the phenomenon of intersection and exchange of stability between different periodic solutions of the system is observed and described in the scope of the competing wild-type and mutant strains. In the case of several types of hosts being available for competing specialist and generalist strains, regions of bistability exist, and the probabilities of observing each state are calculated as functions of the infection rates. A strange chaotic attractor is discovered and analysed with the use of Lyapunov exponents. This, combined with the stability diagrams, shows that the survival of the generalist in a stable environment is an unlikely event. Furthermore, the case of N=1 different strains competing for different types of host cells is studied. For this case, a counterintuitive and non-monotonic dependence of the specialisation time on the burst size and mutation rate is discovered as a result of carrying out a regression analysis on numerically obtained data. Overall, this work makes broad contributions to mathematical modelling and analysis of pathogen dynamics and evolutionary processes

Mathematical modelling of pathogen specialisation

L’aparició de nous virus causants de malalties està estretament lligada a l’especialització de subpoblacions virals cap a nous tipus d’amfitrions. La modelització matemàtica proporciona un marc quantitatiu que pot ajudar amb la predicció de processos a llarg termini com pot ser l’especialització. A causa de la naturalesa complexa que presenten les interaccions intra i interespecífiques en els processos evolutius, cal aplicar eines matemàtiques complexes, com ara l’anàlisi de bifurcacions, al estudiar dinàmiques de població. Aquesta tesi desenvolupa una jerarquia de models de població per poder comprendre l’aparició i les dinàmiques d’especialització, i la seva dependència dels paràmetres del sistema. Utilitzant un model per a un virus de tipus salvatge i un virus mutat que competeixen pel mateix amfitrió, es determinen les condicions per a la supervivència únicament de la subpoblació mutant, juntament amb la seva coexistència amb el cep de tipus salvatge. Els diagrames d’estabilitat que representen regions de dinàmiques diferenciades es construeixen en termes de taxa d’infecció, virulència i taxa de mutació; els diagrames s’expliquen en base a les característiques biològiques de les subpoblacions. Per a paràmetres variables, s’observa i es descriu el fenomen d’intersecció i intercanvi d’estabilitat entre diferents solucions sistemàtiques i periòdiques en l’àmbit dels ceps de tipus salvatge i els ceps mutants en competència directa. En el cas de que diversos tipus d’amfitrions estiguin disponibles per a ser disputats per ceps especialitzats i generalistes existeixen regions de biestabilitat, i les probabilitats d’observar cada estat es calculen com funcions de les taxes d’infecció. S’ha trobat un rar atractor caòtic i s’ha analitzat amb l’ús d’exponents de Lyapunov. Això, combinat amb els diagrames d’estabilitat, mostra que la supervivència del cep generalista en un entorn estable és un fet improbable. A més, s’estudia el cas dels diversos ceps N>>1 que competeixen per diferents tipus de cèl·lules amfitriones. En aquest cas s’ha descobert una dependència no monotònica, contraria al que es preveia, del temps d’especialització sobre la mida inicial i la taxa de mutació, com a conseqüència de la realització d’un anàlisi de regressió sobre dades obtingudes numèricament. En general, aquest treball fa contribucions àmplies a la modelització matemàtica i anàlisi de la dinàmica dels patogens i els processos evolutius.La aparición de nuevos virus causantes de enfermedades está estrechamente ligada a la especialización de las subpoblaciones virales hacia nuevos tipos de anfitriones. La modelizaci ón matemática proporciona un marco cuantitativo que puede ayudar a la predicción de procesos a largo plazo como la especialización. Debido a la naturaleza compleja que presentan las interacciones intra e interespecíficas en los procesos evolutivos, aplicar herramientas matemáticas complejas, tales como el análisis de bifurcación, al estudiar dinámicas de población. Esta tesis desarrolla una jerarquía de modelos de población para poder comprender la aparición y las dinámicas de especialización, y su dependencia de los parámetros del sistema. Utilizando un modelo para un virus de tipo salvaje y un virus mutado que compiten por el mismo anfitrión, se determinan las condiciones para la supervivencia únicamente de la subpoblación mutante, junto con su coexistencia con la cepa de tipo salvaje. Los diagramas de estabilidad que representan regiones de dinámicas diferenciadas se construyen en términos de tasa de infección, virulencia y tasa de mutación; los diagramas se explican en base a las características biológicas de las subpoblaciones. Para parámetros variables, se observa y se describe el fenómeno de intersección e intercambio de estabilidad entre diferentes soluciones sistemáticas y periódicas en el ámbito de las cepas de tipo salvaje y las cepas mutantes en competencia directa. En el caso de que varios tipos de anfitriones estén disponibles para ser disputados por cepas especializadas y generalistas existen regiones de biestabilidad, y las probabilidades de observar cada estado se calculan como funciones de las tasas de infección. Se ha encontrado un raro atractor caótico y se ha analizado con el uso de exponentes de Lyapunov. Esto, combinado con los diagramas de estabilidad, muestra que la supervivencia de la cepa generalista en un entorno estable es un hecho improbable. Además, se estudia el caso de los varias cepas N>> 1 que compiten por diferentes tipos de células anfitrionas. En este caso se ha descubierto una dependencia no monotónica, contraria a lo que se preveía, del tiempo de especialización sobre el tamaño inicial y la tasa de mutación, como consecuencia de la realización de un análisis de regresión sobre datos obtenidos numéricamente. En general, este trabajo hace contribuciones amplias a la modelización matemática y el análisis de la dinámica de los patógenos y los procesos evolutivos.The occurrence of new disease-causing viruses is tightly linked to the specialisation of viral sub-populations towards new host types. Mathematical modelling provides a quantitative framework that can aid with the prediction of long-term processes such as specialisation. Due to the complex nature of intra- and interspecific interactions present in evolutionary processes, elaborate mathematical tools such as bifurcation analysis must be employed while studying population dynamics. In this thesis, a hierarchy of population models is developed to understand the onset and dynamics of specialisation and their dependence on the parameters of the system. Using a model for a wild-type and mutant virus that compete for the same host, conditions for the survival of only the mutant subpopulation, along with its coexistence with the wild-type strain, are determined. Stability diagrams that depict regions of distinct dynamics are constructed in terms of infection rates, virulence and the mutation rate; the diagrams are explained in terms of the biological characteristics of the sub-populations. For varying parameters, the phenomenon of intersection and exchange of stability between different periodic solutions of the system is observed and described in the scope of the competing wild-type and mutant strains. In the case of several types of hosts being available for competing specialist and generalist strains, regions of bistability exist, and the probabilities of observing each state are calculated as functions of the infection rates. A strange chaotic attractor is discovered and analysed with the use of Lyapunov exponents. This, combined with the stability diagrams, shows that the survival of the generalist in a stable environment is an unlikely event. Furthermore, the case of N=1 different strains competing for different types of host cells is studied. For this case, a counterintuitive and non-monotonic dependence of the specialisation time on the burst size and mutation rate is discovered as a result of carrying out a regression analysis on numerically obtained data. Overall, this work makes broad contributions to mathematical modelling and analysis of pathogen dynamics and evolutionary processes

Mathematical modelling of pathogen specialization

Thesis submitted in order to be awarded the degree of Doctor of Phylosophy in Mathematics.[EN]: The occurrence of new disease-causing viruses is tightly linked to the specialisation of viral sub-populations towards new host types. Mathematical modelling provides a quantitative framework that can aid with the prediction of long-term processes such as specialisation. Due to the complex nature of intra- and interspecific interactions present in evolutionary processes, elaborate mathematical tools such as bifurcation analysis must be employed while studying population dynamics. In this thesis, a hierarchy of population models is developed to understand the onset and dynamics of specialisation and their dependence on the parameters of the system. Using a model for a wild-type and mutant virus that compete for the same host, conditions for the survival of only the mutant subpopulation, along with its coexistence with the wild-type strain, are determined. Stability diagrams that depict regions of distinct dynamics are constructed in terms of infection rates, virulence and the mutation rate; the diagrams are explained in terms of the biological characteristics of the sub-populations. For varying parameters, the phenomenon of intersection and exchange of stability between different periodic solutions of the system is observed and described in the scope of the competing wild-type and mutant strains. In the case of several types of hosts being available for competing specialist and generalist strains, regions of bistability exist, and the probabilities of observing each state are calculated as functions of the infection rates. A strange chaotic attractor is discovered and analysed with the use of Lyapunov exponents. This, combined with the stability diagrams, shows that the survival of the generalist in a stable environment is an unlikely event. Furthermore, the case of N >> 1 different strains competing for different types of host cells is studied. For this case, a counterintuitive and non-monotonic dependence of the specialisation time on the burst size and mutation rate is discovered as a result of carrying out a regression analysis on numerically obtained data. Overall, this work makes broad contributions to mathematical modelling and analys is of pathogen dynamics and evolutionary processes.[CAT]: L'aparició de nous virus causants de malalties està estretament lligada a l'especialització de subpoblacions virals cap a nous tipus d'amfitrions. La modelització matemàtica proporciona un marc quantitatiu que pot ajudar amb la predicció de processos a llarg termini com pot ser l'especialització. A causa de la naturalesa complexa que presenten les interaccions intra i interespecífiques en els processos evolutius, cal aplicar eines matemàtiques complexes, com ara l'anàlisi de bifurcacions, al estudiar dinàmiques de població. Aquesta tesi desenvolupa una jerarquia de models de població per poder comprendre l'aparició i les dinàmiques d'especialització, i la seva dependència dels paràmetres del sistema. Utilitzant un model per a un virus de tipus salvatge i un virus mutat que competeixen pel mateix amfitrió, es determinen les condicions per a la supervivència únicament de la subpoblació mutant, juntament amb la seva coexistència amb el cep de tipus salvatge. Els diagrames d'estabilitat que representen regions de dinàmiques diferenciades es construeixen en termes de taxa d'infecció, virulència i taxa de mutació; els diagrames s'expliquen en base a les característiques biològiques de les subpoblacions. Per a paràmetres variables, s'observa i es descriu el fenomen d'intersecció i intercanvi d'estabilitat entre diferents solucions sistemàtiques i periòdiques en l'àmbit dels ceps de tipus salvatge i els ceps mutants en competència directa. En el cas de que diversos tipus d'amfitrions estiguin disponibles per a ser disputats per ceps especialitzats i generalistes existeixen regions de biestabilitat, i les probabilitats d'observar cada estat es calculen com funcions de les taxes d'infecció. S'ha trobat un rar atractor caòtic i s'ha analitzat amb l'ús d'exponents de Lyapunov. Això, combinat amb els diagrames d'estabilitat, mostra que la supervivència del cep generalista en un entorn estable és un fet improbable. A més, s'estudia el cas dels diversos ceps N >> 1 que competeixen per diferents tipus de cèl·lules amfitriones. En aquest cas s'ha descobert una dependència no monotònica, contraria al que es preveia, del temps d'especialització sobre la mida inicial i la taxa de mutació, com a conseqüència de la realització d'un anàlisi de regressió sobre dades obtingudes numèricament. En general, aquest treball fa contribucions àmplies a la modelització matemàtica i anàlisi de la dinàmica dels patògens i els processos evolutius.[ES]: La aparición de nuevos virus causantes de enfermedades está estrechamente ligada a la especialización de las subpoblaciones virales hacia nuevos tipos de anfitriones. La modelización matemática proporciona un marco cuantitativo que puede ayudar a la predicción de procesos a largo plazo como la especialización. Debido a la naturaleza compleja que presentan las interacciones intra e interespecíficas en los procesos evolutivos, aplicar herramientas matemáticas complejas, tales como el análisis de bifurcación, al estudiar dinámicas de población. Esta tesis desarrolla una jerarquía de modelos de población para poder comprender la aparición y las dinámicas de especialización, y su dependencia de los parámetros del sistema. Utilizando un modelo para un virus de tipo salvaje y un virus mutado que compiten por el mismo anfitrión, se determinan las condiciones para la supervivencia únicamente de la subpoblación mutante, junto con su coexistencia con la cepa de tipo salvaje. Los diagramas de estabilidad que representan regiones de dinámicas diferenciadas se construyen en términos de tasa de infección, virulencia y tasa de mutación; los diagramas se explican en base a las características biológicas de las subpoblaciones. Para parámetros variables, se observa y se describe el fenómeno de intersección e intercambio de estabilidad entre diferentes soluciones sistemáticas y periódicas en el ámbito de las cepas de tipo salvaje y las cepas mutantes en competencia directa. En el caso de que varios tipos de anfitriones estén disponibles para ser disputados por cepas especializadas y generalistas existen regiones de biestabilidad, y las probabilidades de observar cada estado se calculan como funciones de las tasas de infección. Se ha encontrado un raro atractor caótico y se ha analizado con el uso de exponentes de Lyapunov. Esto, combinado con los diagramas de estabilidad, muestra que la supervivencia de la cepa generalista en un entorno estable es un hecho improbable. Además, se estudia el caso de los varias cepas N >> 1 que compiten por diferentes tipos de células anfitrionas. En este caso se ha descubierto una dependencia no monotónica, contraria a lo que se preveía, del tiempo de especialización sobre el tamaño inicial y la tasa de mutación, como consecuencia de la realización de un análisis de regresión sobre datos obtenidos numéricamente. En general, este trabajo hace contribuciones amplias a la modelización matemática y el análisis de la dinámica de los patógenos y los procesos evolutivos.La meva formació al CRM compta amb el finançament de l'Obra Social "la Caixa" dins del programa Recerca en Matemàtica Col·laborativa (My training at CRM is funded by "la Caixa" Foundation within the programme Research on Collaborative Mathematics).Peer reviewe

Mathematical modelling of pathogen specialisation /

L'aparició de nous virus causants de malalties està estretament lligada a l'especialització de subpoblacions virals cap a nous tipus d'amfitrions. La modelització matemàtica proporciona un marc quantitatiu que pot ajudar amb la predicció de processos a llarg termini com pot ser l'especialització. A causa de la naturalesa complexa que presenten les interaccions intra i interespecífiques en els processos evolutius, cal aplicar eines matemàtiques complexes, com ara l'anàlisi de bifurcacions, al estudiar dinàmiques de població. Aquesta tesi desenvolupa una jerarquia de models de població per poder comprendre l'aparició i les dinàmiques d'especialització, i la seva dependència dels paràmetres del sistema. Utilitzant un model per a un virus de tipus salvatge i un virus mutat que competeixen pel mateix amfitrió, es determinen les condicions per a la supervivència únicament de la subpoblació mutant, juntament amb la seva coexistència amb el cep de tipus salvatge. Els diagrames d'estabilitat que representen regions de dinàmiques diferenciades es construeixen en termes de taxa d'infecció, virulència i taxa de mutació; els diagrames s'expliquen en base a les característiques biològiques de les subpoblacions. Per a paràmetres variables, s'observa i es descriu el fenomen d'intersecció i intercanvi d'estabilitat entre diferents solucions sistemàtiques i periòdiques en l'àmbit dels ceps de tipus salvatge i els ceps mutants en competència directa. En el cas de que diversos tipus d'amfitrions estiguin disponibles per a ser disputats per ceps especialitzats i generalistes existeixen regions de biestabilitat, i les probabilitats d'observar cada estat es calculen com funcions de les taxes d'infecció. S'ha trobat un rar atractor caòtic i s'ha analitzat amb l'ús d'exponents de Lyapunov. Això, combinat amb els diagrames d'estabilitat, mostra que la supervivència del cep generalista en un entorn estable és un fet improbable. A més, s'estudia el cas dels diversos ceps N»1 que competeixen per diferents tipus de cèl·lules amfitriones. En aquest cas s'ha descobert una dependència no monotònica, contraria al que es preveia, del temps d'especialització sobre la mida inicial i la taxa de mutació, com a conseqüència de la realització d'un anàlisi de regressió sobre dades obtingudes numèricament. En general, aquest treball fa contribucions àmplies a la modelització matemàtica i anàlisi de la dinàmica dels patogens i els processos evolutius.La aparición de nuevos virus causantes de enfermedades está estrechamente ligada a la especialización de las subpoblaciones virales hacia nuevos tipos de anfitriones. La modelizaci ón matemática proporciona un marco cuantitativo que puede ayudar a la predicción de procesos a largo plazo como la especialización. Debido a la naturaleza compleja que presentan las interacciones intra e interespecíficas en los procesos evolutivos, aplicar herramientas matemáticas complejas, tales como el análisis de bifurcación, al estudiar dinámicas de población. Esta tesis desarrolla una jerarquía de modelos de población para poder comprender la aparición y las dinámicas de especialización, y su dependencia de los parámetros del sistema. Utilizando un modelo para un virus de tipo salvaje y un virus mutado que compiten por el mismo anfitrión, se determinan las condiciones para la supervivencia únicamente de la subpoblación mutante, junto con su coexistencia con la cepa de tipo salvaje. Los diagramas de estabilidad que representan regiones de dinámicas diferenciadas se construyen en términos de tasa de infección, virulencia y tasa de mutación; los diagramas se explican en base a las características biológicas de las subpoblaciones. Para parámetros variables, se observa y se describe el fenómeno de intersección e intercambio de estabilidad entre diferentes soluciones sistemáticas y periódicas en el ámbito de las cepas de tipo salvaje y las cepas mutantes en competencia directa. En el caso de que varios tipos de anfitriones estén disponibles para ser disputados por cepas especializadas y generalistas existen regiones de biestabilidad, y las probabilidades de observar cada estado se calculan como funciones de las tasas de infección. Se ha encontrado un raro atractor caótico y se ha analizado con el uso de exponentes de Lyapunov. Esto, combinado con los diagramas de estabilidad, muestra que la supervivencia de la cepa generalista en un entorno estable es un hecho improbable. Además, se estudia el caso de los varias cepas N» 1 que compiten por diferentes tipos de células anfitrionas. En este caso se ha descubierto una dependencia no monotónica, contraria a lo que se preveía, del tiempo de especialización sobre el tamaño inicial y la tasa de mutación, como consecuencia de la realización de un análisis de regresión sobre datos obtenidos numéricamente. En general, este trabajo hace contribuciones amplias a la modelización matemática y el análisis de la dinámica de los patógenos y los procesos evolutivos.The occurrence of new disease-causing viruses is tightly linked to the specialisation of viral sub-populations towards new host types. Mathematical modelling provides a quantitative framework that can aid with the prediction of long-term processes such as specialisation. Due to the complex nature of intra- and interspecific interactions present in evolutionary processes, elaborate mathematical tools such as bifurcation analysis must be employed while studying population dynamics. In this thesis, a hierarchy of population models is developed to understand the onset and dynamics of specialisation and their dependence on the parameters of the system. Using a model for a wild-type and mutant virus that compete for the same host, conditions for the survival of only the mutant subpopulation, along with its coexistence with the wild-type strain, are determined. Stability diagrams that depict regions of distinct dynamics are constructed in terms of infection rates, virulence and the mutation rate; the diagrams are explained in terms of the biological characteristics of the sub-populations. For varying parameters, the phenomenon of intersection and exchange of stability between different periodic solutions of the system is observed and described in the scope of the competing wild-type and mutant strains. In the case of several types of hosts being available for competing specialist and generalist strains, regions of bistability exist, and the probabilities of observing each state are calculated as functions of the infection rates. A strange chaotic attractor is discovered and analysed with the use of Lyapunov exponents. This, combined with the stability diagrams, shows that the survival of the generalist in a stable environment is an unlikely event. Furthermore, the case of N=1 different strains competing for different types of host cells is studied. For this case, a counterintuitive and non-monotonic dependence of the specialisation time on the burst size and mutation rate is discovered as a result of carrying out a regression analysis on numerically obtained data. Overall, this work makes broad contributions to mathematical modelling and analysis of pathogen dynamics and evolutionary processes

figure_data

Each subfolder has a name of a figure. In every such subfolder, Matlab code for the figure is provided, and named "...maker.m", alongside its data folder. The data is obtained using MATCONT6p10 (free Matlab software project for the numerical continuation and bifurcation study)

Data from: Theoretical conditions for the coexistence of viral strains with differences in phenotypic traits: a bifurcation analysis

We investigate the dynamics of a wild-type viral strain which generates mutant strains differing in phenotypic properties for infectivity, virulence, and mutation rates. We study, by means of a mathematical model and bifurcation analysis, conditions under which the wild-type and mutant viruses, which compete for the same host cells, can coexist. The coexistence conditions are formulated in terms of the basic reproductive numbers of the strains, a maximum value of the mutation rate, and the virulence of the pathogens. The analysis reveals that parameter space can be divided into five regions, each with distinct dynamics, that are organised around degenerate Bogdanov-Takens and zero-Hopf bifurcations, the latter of which gives rise to a curve of transcritical bifurcations of periodic orbits. These results provide new insights into the conditions by which viral populations may contain multiple coexisting strains in a stable manner

MATCONT_systems

Two systems were studied, numbered (2.4) and (3.19) in the paper. The codes for MATCONT6p10 for both systems are provided