Diseño e implementación de un controlador proporcional-integral (PI) para el control de la producción de proteínas

Abstract

[ES] La biología sintética permite la construcción de circuitos genéticos con un comportamiento deseado, modificando y combinando diferentes elementos genéticos que existen en la naturaleza. El control y la regulación de los niveles de producción de proteínas expresadas por estos circuitos genéticos, juegan un papel esencial cuando se intenta construir circuitos con comportamientos cada vez más complejos.

El objetivo de este trabajo es el diseño y la implementación experimental de un sistema de control proporcional-integral (PI) para controlar la producción de una proteína de interés. El sistema de control se basa en la aniquilación mutua de dos proteínas que controlan el circuito, la proteína Sigma70 y la Anti-Sigma70. La proteína Sigma70 es un cofactor de la RNA polimerasa, que actúa promoviendo la expresión de proteínas. La proteína Anti-Sigma70 se une a la Sigma70 con una mucha fuerza, reduciendo la actividad de la RNA polimerasa y por lo tanto la producción de la proteína de interés. Este sistema se conoce como control antitético, y en este trabajo se analiza tanto a nivel de modelado matemático mediante la realización de simulaciones computacionales, como de su implementación en sistemas biológicos.

En primer lugar, se ha realizado el diseño del controlador PI a partir del modelado matemático de las reacciones bioquímicas involucradas. En base a este diseño, se ha realizado la implementación del controlador en bacterias de especie E. coli. Para esto, previamente se han seleccionado las partes biológicas necesarias, combinándolas apropiadamente en un circuito genético que incluye tanto al controlador PI como al sistema a regular.

[EN] Synthetic biology allows the construction of genetic circuits with the desired behavior, modifying and combining different genetic elements that exist in nature. The control and regulation of the levels of protein production expressed by these genetic circuits play an essential role when trying to build circuits with increasingly complex behaviors.

The objective of this work is the design and the experimental implementation of a proportional-integral (PI) control system to control the production of a protein of interest. The control system is based on the mutual annihilation of two proteins that control the circuit, the Sigma70 protein, and the Anti-Sigma70 protein. Sigma70 protein is a cofactor of RNA polymerase, which acts by promoting protein expression. The Anti-Sigma70 protein strongly binds to the Sigma70, reducing the RNA polymerase activity and therefore the production of the protein of interest. This system is known as "antithetic" control and in this work is been studied at a theoretical level, using simulations and also at the level of its implementation in biological systems.

In the first place, the design of the controller has been made from the mathematical modeling of the biochemical reactions involved. Then, based on this design, the implementation of this controller in E. coli bacteria has been carried out. For this, the necessary biological parts have been previously selected, combining them appropriately in a genetic circuit that includes both the controller and the system to be regulated.

[CA] La Biologia Sint`etica permet la construcci´o de circuits gen`etics amb un comportament desitjat, modificant i combinant diferents elements gen`etics que existeixen en la naturalesa. El control i la regulaci´o dels nivells de producci´o de prote¨ınes expressades per aquests circuits gen`etics, juguen un paper essencial quan s’intenta construir circuits gen`etics amb comportaments cada vegada m´es complexos. L’objectiu d’aquest treball ´es el disseny i la implementaci´o experimental d’un sistema de control proporcional-integral (PI) per a controlar la producci´o d’una prote¨ına d’inter´es. El sistema de control es basa en l’anihilaci´o m´utua de dues prote¨ınes que controlen el circuit, les prote¨ınes σ20 i Anti-σ20. La prote¨ına σ20 ´es un cofactor de la ARNp, que actua promovent la producci´o algunes prote¨ınes presents en la c`el·lula. La prote¨ına Anti-σ20 s’uneix a la σ20 per a reduir l’activitat de la ARNp, i per tant la producci´o de prote¨ınes. Aquest sistema es coneix com a Control Antit`etic PI, i en aquest treball es proposa el seu disseny, modelatge matem`atic basat en primers principis i la seua implementaci´o en el laboratori dins d’un microorganisme viu. En primer lloc, s’ha realitzat el disseny del controlador PI a partir del modelatge matem`atic de les reaccions bioqu´ımiques involucrades. A partir dels models matem`atics creats, s’han analitzat els dissenys dels controladors PI proposats per mitj`a de simulacions computacionals. Els resultats obtinguts de les simulacions mostren un bon comportament de les esp`ecies bioqu´ımiques involucrades quan el controlador PI actua, regulant efectivament la producci´o de la prote¨ına d’inter´es. En particular un dels controladors dissenyats mostra bones possibilitats de ser configurat externament modificant la concentraci´o de determinada mol`ecula. Sobre la base d’aquests dissenys, s’han seleccionat les parts biol`ogiques necess`aries per a la implementaci´o d’aquest controlador antit`etic PI en microorganismes vius. Com a resultat de la implementaci´o s’han obtingut bacteris Escherichia coli que poden produir una prote¨ına d’inter´es de manera regulada gr`acies al controlador antit`etic PI dissenyat en aquest treball. Aix´ı mateix, s’ha generat una biblioteca de parts biol`ogiques compatibles amb la sintaxi de GoldenBraid). Alguns elements particulars d’aquesta biblioteca, s´on combinacions especifiques de parts biol`ogiques que permetran en un futur caracteritzar les parts biol`ogiques b`asiques creades i aix´ı permetre una nova iteraci´o del proc´es disseny, construcci´o i experimentaci´o per a millorar els resultats obtinguts.