Investigadores del Instituto Pasteur e Inria, con investigadores del CNRS y la Universidad Paris Diderot, y del Instituto de Ciencia y Tecnología IST en Austria, han publicado dos artículos en Comunicaciones de la naturaleza sobre el control informático de los procesos celulares. Las plataformas experimentales híbridas que combinan microscopios y software están permitiendo a los investigadores interconectar células vivas con algoritmos de control en tiempo real. Los dos artículos ilustran que estas soluciones hacen posible crear comportamientos nuevos y fácilmente reprogramables de poblaciones celularesEste control externo de los tejidos vivos se convertiría en una herramienta de investigación formidable para adquirir una comprensión detallada del papel biológico de ciertas proteínas y para optimizar los procesos de bioproducción.
El objetivo de la biología sintética, que combina la biología con la ingeniería, es re programar las células para mejorar su rendimiento en una tarea específica, o para que puedan realizar una nueva tarea de manera eficiente. Uno de los desafíos en esta disciplinaes así eludir las limitaciones de los sistemas biológicos existentes. Por ejemplo, es difícil obtener la misma expresión génica en diferentes células, incluso si se cultivan en el mismo medio. Gracias a estas tecnologías de vanguardia, los investigadores puedenproporcionar un control homogéneo de un proceso celular durante un período muy largo.
Investigadores del Instituto Pasteur e Inria, el CNRS y la Universidad Paris Diderot, y el IST Austria han desarrollado dos plataformas que conectan un microscopio a una computadora. Las células se colocan en un dispositivo microfluídico en el que se puede variar el entorno químico o las células puedenexponerse a estímulos de luz. Un programa de computadora decide qué modificaciones se harán en el ambiente químico o de luz de acuerdo con el comportamiento observado de las células y el objetivo del experimento. La computadora también maneja la adquisición de imágenes por el microscopio y su análisis, para cuantificar las respuestas celulares en tiempo real.
En el primer artículo, los investigadores del InBio - Unidad de métodos experimentales y computacionales para modelar procesos celulares Instituto Pasteur / Inria y de dos grupos en IST Austria, el grupo de Sistemas y Biología Sintética de Redes Genéticas, encabezado por CFlin C. Guet, y el grupo de Biofísica y Neurociencia, encabezado por Gašper Tka? ik, han utilizado la optogenética para activar la expresión de un gen exponiendo las células a la luz. Se utiliza una proteína fluorescente para medir la cantidad de proteína producida.El controlador, utilizando un modelo del sistema, puede decidir en tiempo real qué perturbaciones dinámicas aplicar en función del comportamiento futuro esperado de las células. Gracias a los programas informáticos creados por los investigadores, pueden controlar cada célula individualmente de varias maneras, o crear comunicación virtual entre varias celdas, que circulan mensajes en un orden fácilmente reconfigurable ". Hemos logrado construir una plataforma que nos permite diseñar circuitos que son parcialmente biológicosgical y parcialmente virtual.Las partes virtuales de estos circuitos pueden modificarse arbitrariamente para crear y explorar rápidamente comportamientos celulares, incluso más allá de lo que es biológicamente posible ", explica Jakob Ruess, coautor del primer artículo.
En el segundo artículo, Grégory Batt, jefe de la unidad InBio y coautor con Pascal Hersen CNRS del complejo Laboratoire Matière et systèmes CNRS / Universidad Paris Diderot, explica cómo lograron colocar un sistema celularen una configuración inestable: "Diseñamos un programa de computadora que tiene como objetivo obligar a las células a tomar decisiones binarias al azar. Para hacer esto, las células son conducidas a una región de inestabilidad, como los escaladores en una línea de cresta de montaña, y sonluego se dejó evolucionar libremente hacia una de las dos configuraciones estables posibles. Inesperadamente, observamos que una estimulación dada, si se elegía correctamente, era capaz de llevar grupos de células diferentes a la región de inestabilidad y mantenerlas allí. Estos resultados podrían ayudar a ganaruna comprensión más clara de cómo las poblaciones celulares toman colectivamente decisiones sólidas sin coordinación individual ".
Los avances científicos descritos en estos artículos fueron posibles gracias a una alianza entre dos disciplinas que hoy son complementarias: la biología y las ciencias digitales. Una estrecha colaboración entre el Instituto Pasteur e Inria, tomando la forma del grupo de investigación InBio, cuyo objetivo esDesarrollar un marco metodológico para lograr una comprensión cuantitativa del funcionamiento de los procesos celulares, es la ilustración perfecta del valor de la investigación interdisciplinaria que combina enfoques experimentales con desarrollos metodológicos.
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Materiales proporcionado por Institut Pasteur . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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