Computational design and designability of gene regulatory networks

Abstract

Nuestro conocimiento de las interacciones moleculares nos ha conducido hoy hacia una perspectiva ingenieril, donde diseños e implementaciones de sistemas artificiales de regulación intentan proporcionar instrucciones fundamentales para la reprogramación celular. Nosotros aquí abordamos el diseño de redes de genes como una forma de profundizar en la comprensión de las regulaciones naturales. También abordamos el problema de la diseñabilidad dada una genoteca de elementos compatibles. Con este fin, aplicamos métodos heuríticos de optimización que implementan rutinas para resolver problemas inversos, así como herramientas de análisis matemático para estudiar la dinámica de la expresión genética. Debido a que la ingeniería de redes de transcripción se ha basado principalmente en el ensamblaje de unos pocos elementos regulatorios usando principios de diseño racional, desarrollamos un marco de diseño computacional para explotar este enfoque. Modelos asociados a genotecas fueron examinados para descubrir el espacio genotípico asociado a un cierto fenotipo. Además, desarrollamos un procedimiento completamente automatizado para diseñar moleculas de ARN no codificante con capacidad regulatoria, basándonos en un modelo fisicoquímico y aprovechando la regulación alostérica. Los circuitos de ARN resultantes implementaban un mecanismo de control post-transcripcional para la expresión de proteínas que podía ser combinado con elementos transcripcionales. También aplicamos los métodos heurísticos para analizar la diseñabilidad de rutas metabólicas. Ciertamente, los métodos de diseño computacional pueden al mismo tiempo aprender de los mecanismos naturales con el fin de explotar sus principios fundamentales. Así, los estudios de estos sistemas nos permiten profundizar en la ingeniería genética. De relevancia, el control integral y las regulaciones incoherentes son estrategias generales que los organismos emplean y que aquí analizamos.