Los biólogos sintéticos tienen las herramientas para construir circuitos de ADN complejos, similares a computadoras, que detectan o activan actividades en las células, y gracias a los científicos de la Universidad de Rice y la Universidad de Houston, ahora tienen una forma de probar esos circuitos por adelantado.
El biólogo sintético de Rice Matthew Bennett y el matemático de la Universidad de Houston William Ott lideraron el desarrollo de modelos para predecir la producción de circuitos genéticos personalizados que, por ejemplo, pueden ser inducidos a iniciar o detener la producción de proteínas. Su trabajo se describeen la revista American Chemical Society Biología Sintética ACS .
La idea detrás de los circuitos biológicos sintéticos parece simple. Son combinaciones de proteínas y ligandos que activan o desactivan la expresión génica en respuesta a condiciones específicas en una célula. Dichos circuitos pueden usarse para diseñar bacterias y otros organismos para regular los sistemas celulares orealizar funciones que no harían en la naturaleza.
El enfoque permite una precisión sin precedentes en la programación de microorganismos, y los expertos esperan que el campo produzca una revolución en la detección biológica y la entrega de tratamientos médicos personalizados, como probióticos, a los pacientes y avance en la fabricación controlable de productos químicos útiles por bacterias genéticamente modificadas.
La preocupación es que la capacidad de diseñar nuevos circuitos, con cientos de partes genéticas disponibles para combinar de miles de formas, ha superado la capacidad de caracterizarlos. Y la misma combinación puede conducir a diferentes resultados dependiendo del entorno celular. Bennettdijo que el nuevo trabajo es un paso hacia la solución de esos problemas al eliminar gran parte de la prueba y error.
El objetivo de modelado inicial de Bennett y Ott son los promotores sintéticos de múltiples entradas, interruptores que requieren que se cumpla más de una condición antes de comenzar o detener la producción de una proteína específica. Por ejemplo, un promotor podría estar diseñado para detectar el entorno.la célula y desencadenan la producción de una proteína particular solo si se detectan dos químicos.
"Uno de los primeros problemas en biología sintética fue obtener suficientes partes para ensamblar circuitos más grandes", dijo Bennett. "Ahora que tenemos las partes, y nos enfrentamos a la tarea de poder predecir cómo estos nuevos circuitosse van a comportar
"Hay diferentes formas de construir promotores de múltiples entradas, las partes del ADN que activan y desactivan un gen", dijo Bennett. "Estas construcciones permiten a las células detectar múltiples condiciones ambientales simultáneamente para determinar si un gen debe o no serencendido o apagado "
Bennett dijo que el equipo exploró diferentes formas de modelar sistemas para predecir cómo funcionan. Los modelos utilizaron información de las relaciones de entrada / salida de circuitos simples e independientes, y luego predicen cómo funcionarán en combinación.
El primer modelo "ingenuo" utilizó datos de sistemas de entrada única que detectan la presencia de ligandos que reprimen la transcripción por factores de transcripción quiméricos. La combinación de datos de varios circuitos permitió a los investigadores predecir con precisión las respuestas de encendido y apagado en circuitos de dos entradas condos quimeras
El laboratorio de Rice confirmó la predicción del modelo al diseñar bacterias con puertas "Y" quiméricas que requerían la presencia de dos ligandos para inducir la producción de una proteína fluorescente. El cambio de los niveles de ligando cambió la producción fluorescente en una curva que coincidía estrechamente con la del modelopredicción.
Bennett dijo que un segundo modelo más sofisticado predice la salida de un circuito en un panorama completo de combinaciones de entrada. Eso requirió "informar" al modelo con un pequeño conjunto de datos de sistemas experimentales de dos entradas y más experimentos para verificar la precisión deel modelo.
El laboratorio también probó cada modelo en promotores híbridos de múltiples entradas que incluían tanto activadores en los interruptores como represores interruptores de apagado. El modelo ingenuo a veces sucumbía a la diafonía entre las moléculas de señalización, pero el modelo informado continuó produciendo predicciones precisas.
"Esto proporciona una forma de diseñar y construir grandes circuitos genéticos sintéticos de manera más eficiente", dijo Bennett. "De la misma manera que podemos predecir cómo funcionan los circuitos electrónicos antes de construirlos modelando en computadoras, ahora podemos hacerlo".con estos circuitos genéticos también "
Dijo que el modelo ingenuo será útil para predecir el comportamiento de dispositivos de entrada única bien caracterizados sin trabajo de laboratorio adicional, y el modelo informado ayudará a los investigadores a diseñar microbios para entornos complejos y en constante cambio, como el microbioma intestinal o el suelo.
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Materiales proporcionados por Universidad de Rice . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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