Diseño de un circuito genético de adaptación y estudio de sus aplicaciones en la industria biotecnológica

Abstract

[ES] La biología sintética se define como la ingeniería de la biología, incluyendo el diseño y rediseño de componentes biológicos como partes de circuitos genéticos más complejos que al intercambiarse pueden producir organismos nuevos que desempeñen funciones específicas. Así, la biología sintética consta de 3 fases: diseño o modelado matemático, construcción del DNA sintético e implementación in vivo.

En la naturaleza, muchas de las funciones celulares están controladas por la actividad coordinada de ciertos genes y proteínas que interactúan entre sí, activándose, reprimiéndose, o catalizando otras reacciones biomoleculares. Muchos de los circuitos genéticos presentes de forma natural en los organismos tienen una característica conocida como adaptación perfecta, que es la habilidad de responder ante un estímulo y volver a su valor anterior a dicho estímulo. Esta característica resulta muy interesante desde el punto de vista de las ciencias biológicas, ya que el sistema puede comportarse como un detector de cambios celulares. Uno de los más estudiados es el circuito genético con retroalimentación incoherente tipo 1 (I-FFL). Este circuito tiene tres genes A, B, y C, donde la proteína A activa al gen C que produce una proteína de interés, y a su vez activa al gen intermedio B que reprime a C.

En este trabajo se diseñará un circuito I1-FFL modelando matemáticamente sus interacciones biomoleculares, y se optimizarán los parámetros del modelo que representan los componentes biológicos de este sistema para eventualmente implementarlo en Escherichia coli. La caracterización del circuito genético I1-FFL resulta importante para su aplicación como biosensor de funciones celulares, que pueden ser usadas en áreas como la ingeniería genética, biotecnología, biomedicina, etc.

[EN] Synthetic biology is defined as the engineering of biology, including the design and redesign of biological components as parts of more complex genetic circuits that when exchanged can produce new organisms performing specific functions. Thus, synthetic biology consists of 3 phases: design or mathematical modeling, synthetic DNA construction, and in vivo implementation.

In nature, many of the cellular functions are controlled by the coordinated activity of certain genes and proteins that interact with each other, activating, repressing, or catalyzing other biomolecular reactions. Many of the genetic circuits naturally present in organisms have a characteristic known as perfect adaptation, which is the ability to respond to a stimulus and return to its value prior to that stimulus. This characteristic is very interesting from the point of view of the biological sciences, since the system can behave like a detector of cellular changes. One of the most studied is the genetic circuit with incoherent feedback type 1 (I-FFL). This circuit has three genes A, B, and C, where protein A activates gene C that produces a protein of interest, and in turn activates the intermediate gene B that represses C.

In this work, an I1-FFL circuit will be designed by mathematical modeling, and the model parameters representing the biological components of this system will be optimized for its implementation in Escherichia coli. The characterization of the I1-FFL genetic circuit is important for its application as a biosensor of cellular functions, which can be used in areas such as genetic engineering, biotechnology, biomedicine, etc.

[CA] La Biologia sintètica es defineix com l'enginyeria de la biologia, incloent el disseny i el redisseny de components biològics com a parts de circuits genètics més complexos que quan a l’intercanviar-se, poden produir nous organismes que realitzen funcions específiques. Per aquest motiu, segueix una metodologia cíclica formada per quatre fases: Diseny, Construcció d'ADN sintètic, Comprovació Experimental i Aprenentatge. A la natura, les funcions cel·lulars estan controlades per l'activitat coordinada de determinats gens i proteïnes que interactuen entre elles, activant, suprimint o catalitzant altres reaccions biomoleculars. Molts d'aquests circuits genètics tenen una característica coneguda com a adaptació perfecta, que és la capacitat de respondre a un estímul i tornar al seu valor previ a l’estímul. Aquesta característica és molt interessant des del punt de vista de les ciències de la vida, ja que el sistema pot comportar-se com un detector de canvis cel·lular. Un dels més estudiats és el circuit genètic de retroalimentació incoherent de tipus 1 (I1-FFL). En aquest treball, es dissenyarà un circuit I1-FFL de tres gens (luxr, cI i gfp) modelant matemàticament les seves interaccions biomoleculars. A continuació, es proposarà la metodologia per a la construcció dels plasmidis que componen el circuit i s'estimaran els valors dels paràmetres del model a partir de dades experimentals per generar comportaments adaptatius. La caracterització del circuit genètic I1-FFL és interessant perquè, combinada amb altres circuits, pot ser útil en diverses àrees de la Biotecnologia, com la Biotecnologia Blanca o Industrial.