INVE MEM 2013 164905

Biología Programable 18 FAQs sobre Biología Sinté3ca de un informá3co Image Courtesy of Liang Zong and Yan Liang Alfonso Rodríguez-­‐Patón Universidad Politécnica de Madrid Laboratorio de Inteligencia Ar3ficial (LIA) www.lia.upm.es arpaton@fi.upm.es Jornadas Chilenas de Computación 2013 Workshop Computación Natural (WCN) Temuco, 11/11/2013 Índice (FAQ) Q1: ¿Qué es la Biología sinté3ca? Q2: ¿Por qué nace la Biología Sinté3ca? Q3: ¿Cuándo y dónde comenzó la Biología Sinté3ca? Pioneros de la Biología Sinté3ca: Collins, Ellowitz, Weiss, Benenson Q4: ¿Qué es la Biología de Sistemas? Q5: ¿Qué es un gen? Q6: ¿Qué es un 0 y 1 en Biología Sinté3ca? Q7: ¿Qué es un circuito gené3co? Q8: ¿Cómo se escribe un programa gené3co? Q9: ¿Dónde se ejecuta un programa gené3co? Circuitos gené3cos simples: feedbacks, toggle switch, puerta AND y “repressilator” Q10: ¿Qué ha pasado desde el 2000? ¿Aplicaciones en el mercado? Q11: ¿Qué principios de ingeniería se pueden aplicar en BS? Q12: ¿Hay algo especial en el diseño de sistemas biológicos? Q13: ¿Hay algún estándar “open-­‐source” para diseñar circuitos gené3cos? Q14: ¿Cuáles son la mayores dificultades a la hora de programar un circuito gené3co? Q15: ¿Cómo aumentar la complejidad de los circuitos gené3cos? Q16: ¿Las bacterias hablan? Q17: ¿Se pueden transmi3r programas gené3cos entre bacterias? Proyecto PLASWIRES. Q18: ¿Pueden las bacterias hacer nuestro trabajo de ingenieros? Ingeniería evolu3va de circuitos gené3cos: evolución dirigida. Proyecto EVOPROG. Q1: ¿Qué es la Biología sinté3ca? “Synthe3c biology is the engineering of biology: the synthesis of complex, biologically based (or inspired) systems, which display func3ons that do not exist in nature.” “This engineering perspec3ve may be applied at all levels of the hierarchy of biological structures—from individual molecules to whole cells, 3ssues and organisms.” “In essence, synthe3c biology will enable the design of ‘biological systems' in a ra3onal and systema3c way’”. (Synthe3c Biology: Applying Engineering to Biology: Report of a NEST High Level Expert Group). Q1: ¿Qué es la Biología sinté3ca? Ingeniería de sistemas biológicos. La biología como tecnología que se u3liza para fabricar disposi3vos y sistemas biológicos sinté3cos. La maquinaria biológica natural como hardware y sowware con el que construir y fabricar sistemas biológicos ar3ficiales o sinté3cos. Reprogramación de sistemas biológicos naturales Q2: ¿Por qué nace la Biología sinté3ca? •  Porque ahora conocemos procesadores biológicos fáciles de programar (E. Coli) y los programas gené3cos son baratos de escribir. •  Leer y escribir ADN es cada vez más barato. •  La ingeniería gené3ca surgió en los 70 cuando se pudo cortar-­‐
pegar y copiar fragmentos de ADN. Q3: ¿Cuándo y dónde comenzó la Biología Sinté3ca? Elowitz MB, Leibler S (2000) A synthe3c oscillatory network of transcrip3onal regulators. Nature 403: 335–338. Gardner TS, Cantor CR, Collins JJ (2000) Construc3on of a gene3c toggle switch in Escherichia coli. Nature 403: 339–
342. Becskei A, Serrano L (2000) Engineering stability in gene networks by autoregula3on. Nature 405: 590–593. "Engineered Communica3ons for Microbial Robo3cs” Ron Weiss, Tom Knight. Proceedings of the Sixth Interna3onal Mee3ng on DNA Based Computers (DNA6), June 2000 Pioneros de la Biología Sinté3ca: Ron Weiss y Tom Knight. MIT – AI Lab "Engineered Communica3ons for Microbial Robo3cs” Ron Weiss, Tom Knight. Proceedings of the Sixth Interna3onal Mee3ng on DNA Based Computers (DNA6), June 2000 Pioneros de la Biología Sinté3ca: M. Elowitz, J. Collins Elowitz, M. B., & Leibler, S. (2000). A synthe3c oscillatory network of transcrip3onal regulators. Nature, 403, 335-­‐338. Gardner, T. S., Cantor, C. R, & Collins, J. J. (2000). Construc3on of a gene3c toggle switch in E. coli. Nature, 403, 339-­‐342. Pioneros de la Computación con ADN y la Biología Sinté3ca: Yaakov Benenson y Ehud Shapiro. Inst. Weizmann. Israel Benenson, Y., Paz-­‐elizur, T., Adar, R., Keinan, E., Liben, Z., & Shapiro, E. (2001). Programmable and autonomous compu3ng machine made of biomolecules. Nature, 414, 430-­‐434. Benenson, Y., Gil, B., Ben-­‐Dor, U., Adar, R., & Shapiro, E. (2004). An autonomous molecular computer for logical control of gene expression. Nature, 429, 423-­‐429. Pionero de la Biología Sinté3ca: John Craig Venter Mycoplasma Mycoides JCVI-syn 1.0
Q4: Biología de sistemas y Biología Sinté3ca: Ciencia e Ingeniería. Análisis y Síntesis.
A Scientist discovers that which exists;!
an Engineer creates that which never was.!
!-- Theodore von Karman!
Biología de sistemas y Biología Sinté3ca: La Biología como Ciencia y como Tecnología Reverse-­‐engineering y Forward engineering Biology Knowledge & understanding models Science Systems Biology Engineering Synthe3c Biology Natural organisms Engineered organisms Q5: ¿Qué es un gen? •  Un programa (secuencia de ADN) con las instrucciones para construir una máquina biológica: una proteína. Un gen es el sowware para fabricar un hardware biológico (una proteína). •  Expresión gené3ca: ADN-­‐>ARN-­‐>Proteína. •  La ac3vación de un gen (ON/OFF) se puede controlar y regular mediante otras proteínas. Los genes presentan un comportamiento digital, binario. •  La zona de regulación de la ac3vación de un gen se denomina zona promotora. Puede ser ac3vable o reprimible. Podemos combinar genes con diferentes promotores. Q6: ¿Qué es un 0 y un 1 en biología sinté3ca? •  Baja concentración de una biomolécula = 0 •  Alta concentración de una biomolécula = 1 ¿Cómo se visualiza el output de un circuito gené3co? Con proteínas fluorescentes: GFP, RFP, YFP Q7: ¿Qué es un circuito gené3co? Es un programa gené3co que se ejecuta en una célula. Input: Proteínas Circuito: Uno o más (Promotor+Gen). Output: Proteína Los genes presentan un comportamiento digital, binario (ON/OFF). Así que nos sirven los modelos de circuitos digitales o booleanos y puertas lógicas booleanas (NAND, NOR) ¿Qué con3ene un circuito gené3co con una entrada y un gen? Un gen que se ac3va o se inhibe en función de una señal de entrada. La salida es el nivel de proteína (0 o 1) obtenida con la expresión del gen. Los circuitos gené3cos más sencillos son las puertas lógicas de una entrada (YES, NOT gate) y los feedbacks Q8: ¿Cómo se escribe un programa gené3co? •  En una hebra de ADN circular denominada plásmido. Q9: ¿Dónde se ejecuta un programa gené3co? •  En un procesador biológico llamado “célula”. •  El PC/Apple de la biología: los biólogos trabajan con unas bacterias llamadas E. Coli. Su sistema opera3vo (cromosoma) está formado por unos 4.6 M pares de bases y unos 4K genes. repressor. The p
experimental dat
sion experiments
b
tions between th
cules. A more r
PLlacO1
tetR-lite
accounted for rep
inherent time de
REVIEWS
(premature term
•  El gen Gi produce la proteína i; λPsRi esa proteína i rPegula su the trp regulato
lacI-lite
cI-lite
LtetO1
Transcriptional
biosensing. A
closely estimated
gates
propia expresión tenemos: feedback posi3vo oDigital
flogic
eedback of gene expression, transcript
A digital logic gate implements
cal
results
from
a
by
which
cells mobilize
a cellul
Boolean logic (such as AND, OR
or NOT) on one or more logic
mental perturbation. As such,
nega3vo. compared
with
inputs to produce a single logic
their
promoters, RNA
polymee
output. Electronic logic gates
c
and
other
parts
of
the
transcri
are implemented using diodes
cessfully predict
as potential engineering comp
and transistors and operate on
input voltages or currents,
biosensors.
Most synthetic
de
biosynthetic
enz
whereas biological logic gates
PLtetO
tetR–EGFP
promoters and their associat
operate on cellular molecules
media
with and
given
the abundance
of knoww
(chemical or biological).
terial,
archaeal
and
eukaryot
Figure 3 | Schematic diagrams of three negatively
addition, simulat
promoters, which include the
Filters
regulated synthetic gene networks. a | The Algorithms
toggleor devices for
Escherichiaexperime
coli lac, tet and
or enhancing
•  Toggle switch: El gen i (isla proteína i) inhibe el removing
gor frequency
en jcomponents
y parts thesorgrowth
Both the sensory and transdu
switch
composed
of a two-gene
co-repressive
network.
canA
be placed
undermod
synthe
recent
from a signal.
of the
The constitutive PL promoter drives the expression
neering environment-respon
viceversa: el gen j (lacI
su gene,
proteína j) inhibe el gen i. Dos genes examine the regu
which produces the lac repressor tetramer. The
D ro s o p h i l a m e l a
lac repressor tetramer
binds the lac operator sites
R E Vque I E WsSe inhiben mutuamente. Box adjacent
1 | Early synthetic biology designs: switches and
to the Ptrc-2 promoter, thereby blocking transcription of cI.
the model was
se
Electronics
Biology
The constitutive Ptrc-2 promoter drives the expression
of latch
Reset–set
lysis–l
tivelyBacteriophage
matched
the cI gene, which produces the λ-repressor
dimer.
The
λpromoter
and the essential
tryptophan
bios
assumed
pattern
R
a
repressor dimer cooperatively binds to the operator
sites
enzymes are
produced. One
the first math
P
veryofdifficult
to
69
native to the PL promoter, which prevents transcription
models of theoftryptophan operon
used dy
cro
PL
cl
Ptrc-2
lacl
desired
behaviou
lacI. b | The repressilator is composed of a three-gene
P b
equations to describe operon repression
S
connections
mad
repressive network driven by three strong constitutive
repressor. The parameter estimates were b
earlier md
data and themon.
modelIn
reproduced
promoters. Expression of tetR-lite is driven experimental
by the
79
LC oscillator
Cyanobacteria
circad
sion experiments.
However,
the model
binds
to circuit
constitutive PLlacO1 promoter. The tet repressor
tation
, theomitted
rateb
tions between
andthe
the repress
KaiB
turningthe trp operon
the tetO1 operator sites on the PLtetO1 promoter,
about
natur
L
Circuitos gené3cos simples: feedbacks, toggle switch, puerta AND y “repressilator” Switch
RM
r
R
Circuitos gené3cos simples: puerta AND Circuitos gené3cos simples: otra puerta AND Oscilador sinté3co formado por 3 genes: “Repressilator” (-)
Plac
tetR-lite
PR
cI-lite
Protein
concentration
(-)
Ptet
Tim
e
22 Elowitz & Leibler. 2000. Nature 403:335-8
(-)
lacI-lite
Repressilator Q10: ¿Hay ya aplicaciones en el mercado? Vacuna contra la malaria sinté3ca: Artemisia (J. Keasling) Biofuel: Células que convierten luz/azúcar en etanol. Diseño de fármacos, química sinté3ca, sensores celulares. Ingenieros+Biólogos: “Making biology easier to program”. Futuras aplicaciones. Jay Keasling: “Todo lo que puede producir una planta se puede producir con un microbio”. Q11: ¿Qué principios de ingeniería se pueden aplicar en BS? • 
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abstracción Jerarquía modularidad estandarización encapsulamiento flexibilidad Q12: ¿Hay algo especial en el diseño de sistemas biológicos? Nuevos principios de diseño: Ingeniería Evolu3va •  Los componentes y los disposi3vos evolucionan. •  Los disposi3vos se reproducen y mueren.
• 
Se pueden auto-reparar y auto-organizar. Q13: ¿Hay algún estándar “open-­‐source” para diseñar circuitos gené3cos? Sí. BiobrickTM Q14: ¿Cuáles son la mayores dificultades a la hora de programar un circuito gené3co? • 
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Hardware vivo que se reproduce y a veces falla. Sowware que se replica y algunas veces muta. Ruido, interferencia: las bacterias se confunden de señales Un 1 no es siempre un 1. Un 0 no es siempre un 0. “Mismatch impedance problem”. Bacterias poco felices: carga metabólica. “Cellular Overclocking”. COCHBI-956; NO. OF PAGES 9
Q15: ¿Cómo aumentar la complejidad de los circuitos gené3cos? De la biología a la ecología sinté3ca (de Figure
4 SISD a MIMD) CHBI-956; NO. OF PAGES 9
ure 4
(a)
(a)
Y
Z
Q
De circuitos intracelulares a circuitos Xintercelulares Engineered multicellular traits in microbes Chu
Programación de sistemas mul3celulares: comp. paralela y distribuida. circuit 1
circuit 2
Ingeniería de comunicación intercelular. Protocolos de comunicación (b)
bacterianos: X y Y Z
Q
1.  Quorum sensing X
Y
Z
Q
(e)
OUT = XOR(Ara, a
2.  Conjugación Ara circuit 1
circuit 2
circuit 1
circuit 2
b)
c)
O
(c)
X
Y
Z
X
Q
YZ
Q
aTc
circuit 1
X
circuit 2
YZ
circuit 1
(d)
Q
(f)
Ara
ON
circuit 2
OUT = XOR(Ara, aTc)
Q16:¿Las bacterias hablan? Quorum Sensing: V. Fischeri y el calamar de Hawai Waters, C.M. & Bassler, B.L. Quorum sensing: cell-­‐to-­‐cell communica3on in bacteria. Annual Review of Cell and Developmental Biology 21, 319-­‐346 (2005). Q17: ¿Se pueden transmi3r programas gené3cos entre bacterias? Sí. Mediante conjugación de plásmidos Proyecto europeo PLASWIRES: “Engineering Mul3cellular Biocircuits: Programming Cell-­‐Cell Communica3on Using PLASmids as WIRES” www.plaswires.eu PLASWIRES' main goal: To show how to program a parallel distributed living computer using conjuga3ve plasmids as wires between cellular processors. Q18: ¿Pueden las bacterias hacer nuestro trabajo de ingenieros? Ingeniería evolu3va de circuitos gené3cos: evolución dirigida Del diseño racional al diseño evolu3vo Evolución dirigida (“directed evolu3on”): Evolución en el Lab. Librería de posibles circuitos gené3cos. ¿Cuál es el que mejor comportamiento 3ene? Solución manual: Examinar uno a uno cada circuito gené3co. Solución automá3ca: Programar bacterias que de manera autónoma seleccionen los mejores circuitos de entre toda la librería. (Proyectos BACTOCOM y EVOPROG). EVOPROG Proyecto europeo EVOPROG: “General-­‐Purpose Programmable Evolu3on Machine on a Chip” EVOPROG’s main goal construct a general-­‐purpose programmable evolu3on machine able to quickly evolve new biomolecules or phenotypes in bacterial cells. ¡Muchas gracias! www.plaswires.eu www.evoprog.eu Profesores del LIA: Petr Sosík, Andrei Paun, Alfonso Rodríguez-­‐Patón. Estudiantes de doctorado del LIA: •  Mar•n Gu3érrez •  Willy Pérez del Pulgar •  Vishal Gupta •  Paula Gregorio •  Ismael Gómez •  Antonio García arpaton@fi.upm.es