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Biología Programable
19 FAQs sobre Biología Sintética de un informático
Image Courtesy of Liang Zong and Yan Liang
Alfonso Rodríguez-Patón
Universidad Politécnica de Madrid
Laboratorio de Inteligencia Artificial (LIA)
[email protected] Universidad de Sevilla
09/06/2014
Índice (FAQ)
Q1: ¿Qué es la Biología sintética?
Q2: ¿Por qué nace la Biología Sintética?
Q3: ¿Cuándo y dónde comenzó la Biología Sintética? Pioneros de la Biología Sintética: 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 Sintética?
Q7: ¿Qué es un circuito genético?
Q8: ¿Cómo se escribe un programa genético?
Q9: ¿Dónde se ejecuta un programa genético?
Circuitos genéticos 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 genéticos?
Q14: ¿Cuáles son la mayores dificultades a la hora de programar un circuito genético?
Q15: ¿Cómo aumentar la complejidad de los circuitos genéticos? Q16: ¿Las bacterias hablan?
Q17: ¿Se pueden transmitir programas genéticos entre bacterias? Proyecto PLASWIRES.
Q18: ¿Pueden las bacterias hacer nuestro trabajo de ingenieros? Ingeniería evolutiva de
circuitos genéticos: evolución dirigida. Proyecto EVOPROG.
Q19: Any easy introductory material (to read or to watch) to Synthetic Biology? Q1: ¿Qué es la Biología sintética?
“Synthetic biology is the engineering of biology: the synthesis of
complex, biologically based (or inspired) systems, which display
functions that do not exist in nature.” “This engineering perspective may be applied at all levels of the
hierarchy of biological structures—from individual molecules to
whole cells, tissues and organisms.” “In essence, synthetic biology will enable the design of ‘biological
systems' in a rational and systematic way’”. (Synthetic Biology: Applying Engineering to Biology: Report of a NEST High Level
Expert Group).
Q1: ¿Qué es la Biología sintética?
Ingeniería de sistemas biológicos.
La biología como tecnología que se utiliza para fabricar
dispositivos y sistemas biológicos sintéticos.
La maquinaria biológica natural como hardware y software con el que construir y fabricar sistemas biológicos artificiales o sintéticos.
Reprogramación de sistemas biológicos naturales
Q2: ¿Por qué nace la Biología sintética?
•  Porque ahora conocemos procesadores biológicos fáciles de
programar (E. Coli) y los programas genéticos son baratos de
escribir.
•  Leer y escribir ADN es cada vez más barato.
•  La ingeniería genética surgió en los 70 cuando se pudo cortarpegar y copiar fragmentos de ADN. Q3: ¿Cuándo y dónde comenzó la Biología
Sintética?
Elowitz MB, Leibler S (2000) A synthetic oscillatory network of
transcriptional regulators. Nature 403: 335–338.
Gardner TS, Cantor CR, Collins JJ (2000) Construction of a
genetic toggle switch in Escherichia coli. Nature 403: 339–342.
Becskei A, Serrano L (2000) Engineering stability in gene
networks by autoregulation. Nature 405: 590–593.
"Engineered Communications for Microbial Robotics” Ron
Weiss, Tom Knight. Proceedings of the Sixth International
Meeting on DNA Based Computers (DNA6), June 2000
Pioneros de la Biología Sintética:
Ron Weiss y Tom Knight. MIT – AI Lab
"Engineered Communications for Microbial Robotics” Ron Weiss,
Tom Knight. Proceedings of the Sixth International Meeting on
DNA Based Computers (DNA6), June 2000
Pioneros de la Biología Sintética:
M. Elowitz, J. Collins
Elowitz, M. B., & Leibler, S. (2000). A synthetic oscillatory network
of transcriptional regulators. Nature, 403, 335-338.
Gardner, T. S., Cantor, C. R, & Collins, J. J. (2000). Construction of
a genetic toggle switch in E. coli. Nature, 403, 339-342. Pioneros de la Computación con ADN y la Biología Sintética:
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 computing 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 Sintética:
John Craig Venter
Mycoplasma Mycoides JCVI-syn 1.0
Q4: Biología de sistemas y Biología Sintética: 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 Sintética: La Biología como Ciencia y como Tecnología
Reverse-engineering y Forward engineering Biology Knowledge & understanding
models
Science
Systems Biology
Engineering
Synthetic 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
software para fabricar un hardware biológico (una proteína). •  Expresión genética: ADN->ARN->Proteína.
•  La activación 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 activación de un gen se denomina
zona promotora. Puede ser activable o reprimible. Podemos
combinar genes con diferentes promotores. Q6: ¿Qué es un 0 y un 1 en biología sintética?
•  Baja concentración de una biomolécula = 0
•  Alta concentración de una biomolécula = 1
¿Cómo se visualiza el output de un circuito
genético?
Con proteínas fluorescentes: GFP, RFP,
Q7: ¿Qué es un circuito genético?
Es un programa genético 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 contiene un circuito genético con una entrada y un gen? Un gen que se activa 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 genéticos más sencillos son las puertas lógicas de una entrada (YES, NOT gate) y los feedbacks
Q8: ¿Cómo se escribe un programa genético?
•  En una hebra de ADN circular denominada plásmido.
Q9: ¿Dónde se ejecuta un programa genético?
•  En un procesador biológico llamado “célula”.
•  El PC/Apple de la biología: los biólogos trabajan con unas
bacterias llamadas E. Coli. Su sistema operativo
(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; λPsiR esa proteína
i regula
su propia
the t rp regulato
PLtetO1
lacI-lite
cI-lite
biosensing. A
closely
estimated
Digital logic gates
expresión tenemos: feedback positivo o feedback
negativo.Transcriptional
expression,
of gene
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,
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
3 | Schematic
of three
•  Toggle switch: El genFigure
i (la
proteínadiagrams
i) inhibe
elnegatively
gen
j y viceversa:
elsimulat
addition,
promoters, which include the
Filters
regulated synthetic gene networks. a | The Algorithms
toggleor devices for
the
Escherichiaexperime
coli lac, tet and
growth
removing or enhancing parts
gen j (su proteína j)switch
inhibe
el
gen
i.
Dos
genes
que
se
inhiben
Both the sensory and transdu
is composed of a two-gene co-repressive
network.
or frequency components
sor canA
be placed
undermod
synthe
recent
from a signal.
of the
The constitutive PL promoter drives the expression
neering environment-respon
mutuamente. examine the regu
lacI gene, 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
REVIEWS
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 genéticos simples: feedbacks, toggle
switch, puerta AND y “repressilator”
Switch
RM
r
R
Circuitos genéticos simples: puerta AND
Circuitos genéticos simples: otra puerta AND
Oscilador sintético formado por 3 genes: “Repressilator”
(-)
Plac
tetR-lite
PR
cI-lite
Protein concentration
(-)
Ptet
Time
22
Elowitz
& Leibler. 2000. Nature 403:335-8 (-)
lacI-lite
Repressilator
Q10: ¿Hay ya aplicaciones en el mercado?
Vacuna contra la malaria sintética: Artemisia (J. Keasling)
Biofuel: Células que convierten luz/azúcar en etanol.
Diseño de fármacos, química sintética, 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?
•  abstracción
•  Jerarquía
•  modularidad
•  estandarización
•  encapsulamiento •  flexibilidad
Q12: ¿Hay algo especial en el diseño de sistemas biológicos? Nuevos principios de diseño: Ingeniería Evolutiva •  Los componentes y los dispositivos evolucionan. •  Los dispositivos se reproducen y mueren.
• 
Se pueden auto-reparar y auto-organizar.
Q13: ¿Hay algún estándar “open-source” para
diseñar circuitos genéticos? Sí. BiobrickTM
Q14: ¿Cuáles son la mayores dificultades a la hora de
programar un circuito genético?
• 
• 
• 
• 
• 
• 
• 
Hardware vivo que se reproduce y a veces falla. Software 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 genéticos? De la biología a la ecología sintética (de4 SISD a MIMD)
Figure
CHBI-956; NO. OF PAGES 9
ure 4
(a)
(a)
X
Y
Z
Q
De circuitos intracelulares a circuitos intercelulares
Engineered multicellular traits in microbes Chu
Programación de sistemas multicelulares:circuit
comp.
paralela circuit
y distribuida.
1
2
Ingeniería de comunicación intercelular. Protocolos de comunicación
(b)
bacterianos: Y Z
Q
1.  Quorum sensingX y 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 communication in bacteria. Annual
Review of Cell and Developmental Biology 21, 319-346 (2005).
Q17: ¿Se pueden transmitir programas genéticos entre
bacterias? Sí. Mediante conjugación de plásmidos
Proyecto europeo PLASWIRES: “Engineering Multicellular Biocircuits: Programming Cell-Cell
Communication Using PLASmids as WIRES” www.plaswires.eu PLASWIRES' main goal To show how to program a parallel distributed living
computer using conjugative plasmids as wires between
cellular processors.
PLASWIRES: an edge detector
•  Simulation with GRO
Q18: ¿Pueden las bacterias hacer nuestro trabajo de
ingenieros? Ingeniería evolutiva de circuitos
genéticos: evolución dirigida
•  Del diseño racional al diseño evolutivo
•  Evolución dirigida (“directed evolution”): Evolución en el Lab.
•  Librería de posibles circuitos genéticos. ¿Cuál es el que mejor
comportamiento tiene?
•  Solución manual: Examinar uno a uno cada circuito genético.
•  Solución automática: 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 Evolution Machine on a Chip”
EVOPROG’s main goal
(a live genetic algorithm) construct a general-purpose programmable evolution
machine able to quickly evolve new biomolecules or
phenotypes in bacterial cells. Some intro material (to read)
If you prefer to read:
•  Tinkering with Life. By Jef Akst.The Scientist, October 1, 2011. •  http://www.the-scientist.com/?articles.view/articleNo/31193/title/TinkeringWith-Life/ •  Synthetic Life. By W. Wayt Gibbs. Scientific American, May 2004.
http://www.eecs.harvard.edu/~rad/courses/cs266/papers/synbio-sciam04.pdf •  Engineering Life. By the Bio FAB group. Scientific American, June 2006.
http://www.synbiosafe.eu/uploads/pdf/SciAm_BioFab_2006_06.pdf •  Synthetic Biology: Bits and pieces come to life. James Collins
Nature 483, S8–S10 (01 March 2012) doi:10.1038/483S8a (free full access)
http://www.nature.com/nature/journal/v483/n7387_supp/full/483S8a.html •  Q&A: Circuit capacity. James Collins
Nature 483, S11 (01 March 2012) doi:10.1038/483S11a
http://www.nature.com/nature/journal/v483/n7387_supp/full/483S11a.html Some intro material (to watch)
If you prefer to watch (Videos):
•  Conferencia en Chile 2013 de Alfonso R. Patón:
“Biología Programable: 18 FAQs sobre Biología Sintética de un informático”.
https://www.youtube.com/watch?v=jp7IF8uOxyE •  Slides in pdf available from our web page:
http://www.lia.upm.es/index.php/intro-to-syn-bio •  Synthetic Biology - intro video by Jim Collins. (12 minutes).
https://www.youtube.com/watch?v=X01MK7MIEwA •  Synthetic Biology Explained (6 minutes).
https://www.youtube.com/watch?v=rD5uNAMbDaQ •  Synthetic Biology - intro video (3 minutes).
https://www.youtube.com/watch?v=xOx3B2Z_qqE •  Jugando con Biobloques - conferencia de Manu Giménez en TEDxUBA (10 minutos)
http://www.tedxuba.org/videos/tedxuba-2013/jugando-con-biobloques
http://youtu.be/8I5mqniN
¡Muchas gracias!
www.plaswires.eu www.evoprog.eu Profesores del LIA: Petr Sosík, Andrei Paun,
Alfonso Rodríguez-Patón.
Estudiantes de doctorado del LIA:
•  Martín Gutiérrez
•  Willy Pérez del Pulgar
•  Vishal Gupta
•  Paula Gregorio
•  Ismael Gómez
•  Antonio García
[email protected]