p Nos últimos 17 anos, cientistas e engenheiros desenvolveram circuitos de genes sintéticos que podem programar a funcionalidade, atuação, e comportamento das células vivas. Análogo aos circuitos integrados que sustentam uma miríade de produtos eletrônicos, circuitos de genes projetados podem ser usados ​​para gerar dinâmicas definidas, religar redes endógenas, sentir estímulos ambientais, e produzir biomoléculas valiosas. p Esses circuitos de genes são uma grande promessa em aplicações médicas e biotecnológicas, como o combate a super bugs, produção de biocombustíveis avançados, e fabricação de materiais funcionais.

p A data, a maioria dos circuitos são construídos por meio de tentativa e erro, que depende muito da intuição do designer e muitas vezes é ineficiente, disse o Professor Associado de Bioengenharia da Universidade de Illinois, Ting Lu. "Com o aumento da complexidade do circuito, a falta de diretrizes de design preditivo tornou-se um grande desafio na compreensão do potencial da biologia sintética, "disse o Lu, que também é afiliado ao Instituto Carl R. Woese de Biologia Genômica e Departamento de Física em Illinois.

p Os pesquisadores se voltaram para a modelagem quantitativa para lidar com esse desafio de projeto de circuito genético. Os modelos típicos consideram os circuitos genéticos como entidades isoladas que não interagem com seus hospedeiros e se concentram apenas nos processos bioquímicos dentro dos circuitos, observou Lu.

p "Embora altamente valioso, o paradigma de modelagem atual é muitas vezes incapaz de quantitativamente, ou mesmo qualitativamente às vezes, descrevendo os comportamentos do circuito, "Ele disse." Crescentes evidências experimentais têm sugerido que os circuitos e seu hospedeiro biológico estão intimamente conectados e seu acoplamento pode impactar o comportamento do circuito significativamente. "

p Lu e seus alunos de graduação, Chen Liao e Andrew Blanchard, abordou recentemente o desafio ao construir uma estrutura de modelagem integrada para descrever e prever quantitativamente os comportamentos do circuito gênico. Usando Escherichia coli ( E. coli ) como um host modelo, a estrutura consiste em uma descrição grosseira, mas mecanicista da fisiologia do hospedeiro que envolve o particionamento dinâmico de recursos, acoplamento de host de circuito multicamadas, e um módulo cinético detalhado de circuitos exógenos.

p A equipe demonstrou que, após o treinamento, a estrutura foi capaz de capturar e prever um grande conjunto de dados experimentais relativos ao hospedeiro e à superexpressão simples do gene. Por exemplo, eles descobriram que os efeitos mediados por ppGpp são a chave para compreender a expressão do gene constitutivo sob mudanças ambientais, incluindo alterações de nutrientes e antibióticos. A equipe também demonstrou a utilidade da plataforma, aplicando-a para examinar um circuito de feedback de modulação de crescimento, cuja dinâmica é qualitativamente alterada por acoplamentos de circuito-host e revelando os comportamentos de uma chave seletora em escalas de dinâmica de uma única célula para estrutura populacional e para ecologia espacial.

p Embora a estrutura de Lu foi estabelecida usando E. coli como o hospedeiro modelo, tem o potencial de ser generalizado para descrever múltiplos organismos hospedeiros. "Por exemplo, nós achamos isso, variando apenas um único parâmetro, a estrutura previu com sucesso várias métricas de host importantes, incluindo a proporção de RNA para proteína, Conteúdo de RNA por célula, e taxa média de alongamento de peptídeo, para Salmonella typhimurium e Streptomyces coelicolor , "disse o Lu.

p De acordo com Lu, este trabalho avança a compreensão quantitativa dos comportamentos do circuito gênico, e facilita a transformação do projeto da rede de genes da construção por tentativa e erro para a engenharia direta e racional. Ao ilustrar sistematicamente os principais processos celulares e interações circuito-host em várias camadas, ele ainda lança luz sobre a biologia quantitativa para uma melhor compreensão da fisiologia bacteriana complexa.

p O trabalho é descrito no artigo de Lu, "Uma estrutura de modelagem de circuito-hospedeiro integrativa para prever comportamentos de rede de genes sintéticos, "publicado em 25 de setembro, Edição de 2017 de Nature Microbiology .