Nuestros cuerpos tienen una variedad de relojes biológicos que siguen ritmos u oscilaciones con períodos que varían de segundos a días. Por ejemplo, nuestros corazones laten cada segundo y las células se dividen periódicamente. El reloj circadiano ubicado en el hipotálamo genera ritmos de veinticuatro horas, cronometrando nuestro sueño y la liberación de hormonas. ¿Cómo generan y mantienen estos relojes o circuitos biológicos los ritmos estables que son esenciales para la vida?
Jae Kyoung Kim, quien es profesor asistente en el Departamento de Ciencias Matemáticas de KAIST, ha predicho cómo estos circuitos biológicos generan ritmos y controlan su robustez, utilizando modelos matemáticos basados en ecuaciones diferenciales y muestreo de parámetros estocásticos. Según su predicción,Utilizando la biología sintética, un equipo de investigación encabezado por Matthew Bennett de la Universidad de Rice construyó un nuevo circuito biológico que abarca dos cepas de bacterias genéticamente modificadas, una sirve como activador y la otra como represora para regular la expresión génica en múltiples tipos de células, y descubrióque el circuito genera ritmos sorprendentemente robustos en varias condiciones.
Los resultados de la investigación realizada en colaboración con KAIST Instituto de Ciencia y Tecnología de Corea, la Universidad de Rice y la Universidad de Houston se publicaron en ciencia número del 28 de agosto de 2015.
El enfoque de investigación de arriba hacia abajo, que se enfoca en identificar los componentes de los circuitos biológicos, limita nuestra comprensión de los mecanismos en los que los circuitos generan ritmos. Sin embargo, la biología sintética, un campo en rápido crecimiento en la interfaz de las biociencias y la ingeniería, utilizaun enfoque de abajo hacia arriba
Los biólogos sintéticos pueden crear circuitos complejos a partir de componentes más simples, y algunos de estos nuevos circuitos genéticos son capaces de fluctuar para regular la producción de genes. De la misma manera que los ingenieros eléctricos entienden cómo funciona un circuito eléctrico mientras construyen baterías, resistencias ylos cables, los biólogos sintéticos pueden comprender mejor los circuitos biológicos si los unen utilizando genes y proteínas. Sin embargo, debido a la complejidad de los sistemas biológicos, tanto los experimentos como el modelado matemático deben aplicarse de la mano para diseñar estos circuitos biológicos y comprender susfunción.
En esta investigación, un enfoque interdisciplinario demostró que un circuito sintético de separación intercelular genera ritmos robustos para crear un sistema microbiano cooperativo. Específicamente, el análisis matemático de Kim sugirió, y los experimentos confirmaron, que la presencia de bucles de retroalimentación negativa además de un núcleo transcripcionalel ciclo de retroalimentación negativa puede explicar la robustez de los ritmos en este sistema. Este resultado proporciona pistas importantes sobre el mecanismo fundamental de la generación de ritmos robustos en los sistemas biológicos.
Además, en lugar de construir todo el circuito dentro de una sola cepa bacteriana, el circuito se dividió entre dos cepas de la bacteria Escherichia coli. Cuando las cepas se cultivaron juntas, las bacterias intercambiaron información, completando el circuito. Por lo tanto, esta investigación también muestracómo, al regular las células individuales dentro del sistema, los sistemas biológicos complejos se pueden controlar, lo que a su vez se influye entre sí por ejemplo, el microbioma intestinal en los humanos.
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Materiales proporcionados por El Instituto Avanzado de Ciencia y Tecnología de Corea KAIST . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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