Multi-Scale Host-Aware Modeling for Analysis and Tuning of Synthetic Gene Circuits for Bioproduction

Abstract

[ES] Esta Tesis ha sido dedicada al modelado multiescala considerando al anfitrión celular para el análisis y ajuste de circuitos genéticos sintéticos para bioproducción. Los objetivos principales fueron: 1. El desarrollo de un modelo que considere el anfitrión celular de tamaño reducido enfocado para simulación y análisis. 2. El desarrollo de herramientas de programación para el modelado y la simulación, orientada a la biología sintética. 3. La implementación de un modelo multiescala que considere las escalas relevantes para la bioproducción (biorreactor, célula y circuito sintético). 4. El análisis del controlador antitético considerando las interacciones célula-circuito, como ejemplo de aplicación de las herramientas desarrolladas. 5. El desarrollo y la validación experimental de leyes de control robusto para biorreactores continuos.

El trabajo presentado en esta Tesis cubre las tres escalas del proceso de bioproducción. La primera escala es el biorreactor: esta escala considera la dinámica macroscópica del sustrato y la biomasa, y como estas dinámica se conecta con el estado interno de las células. La segunda escala es la célula anfitriona: esta escala considera la dinámica interna de la célula y la competencia por los recursos limitados compartidos para la expresión de proteínas. La tercera escala es el circuito genético sintético: esta escala considera la dinámica de expresión de los circuitos sintéticos exógenos y la carga que inducen en la célula anfitriona. Por último, como <<cuarta>> escala, parte de la Tesis se ha dedicado a desarrollar herramientas de software para el modelado y la simulación.

Este documento se divide en siete capítulos. El Capítulo 1 es una introducción general al trabajo de la Tesis y su justificación; también presenta un mapa visual de la Tesis y enumera las principales contribuciones. El Capítulo 2 muestra el desarrollo del modelo del anfitrión celular (los Capítulos 4 y 5 hacen uso de este modelo para sus simulaciones). El Capítulo 3 presenta OneModel: una herramienta de software desarrollada en la Tesis que facilita el modelado y la simulación en biología sintética, en particular, facilita el uso del modelo del anfitrión celular. El Capítulo 4 utiliza el modelo del anfitrión celular para montar el modelo multiescala que considera el biorreactor y analiza el título, la productividad y el rendimiento en la expresión de una proteína exógena. El Capítulo 5 analiza un circuito más complejo, el recientemente propuesto y muy citado controlador biomolecular antitético, utilizando el modelo del anfitrión celular. El Capítulo 6 muestra el diseño de estrategias de control no lineal que permiten controlar la concentración de biomasa en un biorreactor continuo de forma robusta. El Capítulo 7 resume y presenta las principales conclusiones de la Tesis. En el Apéndice A se muestra el desarrollo teórico del modelo del anfitrión celular.

Esta Tesis destaca la importancia de estudiar la carga celular en los sistemas biológicos, ya que estos efectos son muy notables y generan interacciones entre circuitos aparentemente independientes. La Tesis proporciona herramientas para modelar, simular y diseñar circuitos genéticos sintéticos teniendo en cuenta estos efectos de carga y permite el desarrollo de modelos que conecten estos fenómenos en los circuitos genéticos sintéticos, que van desde la dinámica intracelular de la expresión génica hasta la dinámica macroscópica de la población de células dentro del biorreactor.

[CA] Aquesta Tesi tracta del modelat multiescala considerant l'amfitrió ce\lgem ular per a l'anàlisi i ajust de circuits genètics sintètics per a bioproducció. Els objectius principals van ser: 1. El desenvolupament d'un model de grandària reduïda que considere l'amfitrió ce\lgem ular, enfocat al seu ús en simulació i anàlisi. 2. El desenvolupament d'eines de programari per al modelatge i la simulació, orientada a la biologia sintètica. 3. La implementació d'un model multiescala que considere les escales rellevants per a la bioproducció (bioreactor, cè\lgem ula i circuit sintètic). 4. L'anàlisi del controlador antitètic considerant les interacciones cè\lgem ula-circuit, com a exemple d'aplicació de les eines desenvolupades. 5. El desenvolupament i la validació experimental de lleis de control robust per a bioreactors continus.

El treball presentat en aquesta Tesi cobreix les tres escales del procés de bioproducció. La primera escala és el bioreactor: aquesta escala considera la dinàmica macroscòpica del substrat i la biomassa, i com aquestes dinàmiques es connecten amb l'estat intern de les cè\lgem ules. La segona escala és la cè\lgem ula amfitriona: aquesta escala considera la dinàmica interna de la cè\lgem ula i la competència pels recursos limitats compartits per a l'expressió de proteïnes. La tercera escala és la del circuit genètic sintètic: aquesta escala considera la dinàmica d'expressió de circuits sintètics exógens i la càrrega que indueixen en la cè\lgem ula amfitriona. Finalment, com a <<quarta>> escala, part de la Tesi s'ha dedicat a desenvolupar eines de programari per al modelatge i la simulació.

Aquest document es divideix en set capítols. El Capítol 1 és una introducció general al treball de la Tesi i la seua justificació; també presenta un mapa visual de la Tesi i enumera les principals contribucions. El Capítol 2 mostra el desenvolupament del model de l'amfitrió ce\lgem ular (els Capítols 4 i 5 fan ús d'aquest model per a les seues simulacions). El Capítol 3 presenta OneModel: una eina de programari desenvolupada en la Tesi que facilita el modelatge i la simulació en biologia sintètica, en particular, facilita l'ús del model de l'amfitrió ce\lgem ular. El Capítol 4 utilitza el model de l'amfitrió ce\lgem ular per a muntar el model multiescala que considera el bioreactor i analitza el títol, la productivitat i el rendiment en l'expressió d'una proteïna exògena. El Capítol 5 analitza un circuit més complex, el recentment proposat i molt citat controlador biomolecular antitètic, utilitzant el model de l'amfitrió ce\lgem ular. El Capítol 6 mostra el disseny d'estratègies de control no lineal que permeten controlar la concentració de biomassa en un bioreactor continu de manera robusta. El Capítol 7 resumeix i presenta les principals conclusions de la Tesi. En l'Apèndix A es mostra el desenvolupament teòric del model de l'amfitrió ce\lgem ular.

Aquesta Tesi destaca la importància d'estudiar la càrrega ce\lgem ular en els sistemes biològics, ja que aquests efectes són molt notables i generen interaccions entre circuits aparentment independents. La Tesi proporciona eines per a modelar, simular i dissenyar circuits genètics sintètics tenint en compte aquests efectes de càrrega i permet el desenvolupament de models que connecten aquests fenòmens en els circuits genètics sintètics, que van des de la dinàmica intrace\lgem ular de l'expressió gènica fins a la dinàmica macroscòpica de la població de cè\lgem ules dins del bioreactor.

[EN] This Thesis was devoted to the multi-scale host-aware analysis and tuning of synthetic gene circuits for bioproduction. The main objectives were: 1. The development of a reduced-size host-aware model for simulation and analysis purposes. 2. The development of a software toolbox for modeling and simulation, oriented to synthetic biology. 3. The implementation of a multi-scale model that considers the scales relevant to bioproduction (bioreactor, cell, and synthetic circuit). 4. The host-aware analysis of the antithetic controller, as an example of the application of the developed tools. 5. The development and experimental validation of robust control laws for continuous bioreactors.

The work presented in this Thesis covers the three scales of the bioproduction process. The first scale is the bioreactor: this scale considers the macroscopic substrate and biomass dynamics and how these dynamics connect to the internal state of the cells. The second scale is the host cell: this scale considers the internal dynamics of the cell and the competition for limited shared resources for protein expression. The third scale is the synthetic genetic circuit: this scale considers the dynamics of expressing exogenous synthetic circuits and the burden they induce on the host cell. Finally, as a <<fourth>> scale, part of the Thesis was devoted to developing software tools for modeling and simulation.

This document is divided into seven chapters. Chapter 1 is an overall introduction to the Thesis work and its justification; it also presents a visual map of the Thesis and lists the main contributions. Chapter 2 shows the development of the host-aware model (Chapters 4 and 5 make use of this model for their simulations). Chapter 3 presents OneModel: a software tool developed in the Thesis that facilitates modeling and simulation for synthetic biology---in particular, it facilitates the use of the host-aware model---. Chapter 4 uses the host-aware model to assemble the multi-scale model considering the bioreactor and analyzes the titer, productivity (rate), and yield in expressing an exogenous protein. Chapter 5 analyzes a more complex circuit, the recently proposed and highly cited antithetic biomolecular controller, using the host-aware model. Chapter 6 shows the design of nonlinear control strategies that allow controlling the concentration of biomass in a continuous bioreactor in a robust way. Chapter 7 summarizes and presents the main conclusions of the Thesis. Appendix A shows the theoretical development of the host-aware model.

This Thesis emphasizes the importance of studying cell burden in biological systems since these effects are very noticeable and generate interactions between seemingly unconnected circuits. The Thesis provides tools to model, simulate and design synthetic genetic circuits taking into account these burden effects and allowing the development of models that connect phenomena in synthetic genetic circuits, ranging from the intracelullar dynamics of gene expression to the macroscopic dynamics of the population of cells inside the bioreactor.