Diseño y desarrollo de un modelo booleano probabilístico de regulación genética en el simulador de colonias bacterianas GRO

Abstract

Resulta interesante comprender como microorganismos sencillos como la bacteria
Escherichia coli poseen mecanismos no tan simples para responder al entorno en el que está gestionada por complicadas redes de regulación formadas
por genes y proteínas, donde cada elemento de la red genética debe tomar parte
en armonía, en el momento justo y la cantidad adecuada para dar lugar a la respuesta
celular apropiada.
La biología sintética es un nuevo área de la biología y la tecnología que fusiona la biolog
ía molecular, la ingeniería genética y las herramientas computacionales, para crear
sistemas biológicos con funcionalidades novedosas. Los sistemas creados sintéticamente
son ya una realidad, y cada vez se acumulan más trabajos alrededor del mundo que
muestran su factibilidad. En este campo no solo se hacen pequeñas modificaciones en
la información genética, sino que también se diseñan, manipulan e introducen circuitos
genéticos a los organismos.
Actualmente, se hace un gran esfuerzo para construir circuitos genéticos formados por
numerosos genes y caracterizar la interacción de los mismos con otras moléculas, su regulaci
ón, expresión y funcionalidad en diferentes organismos. La mayoría de los proyectos
de biología sintética que se han desarrollado hasta ahora, se basan en el conocimiento
actual del funcionamiento de los organismos vivos. Sin embargo, la información es
numerosa y creciente, por lo que se requiere de herramientas computacionales y matem
áticas para integrar y hacer manejable esta gran cantidad de información.
El simulador de colonias bacterianas GRO posee la capacidad de representar las dinámicas
más simples del comportamiento celular, tales como crecimiento, división y comunicación intercelular mediante conjugación, pero carece de la capacidad de simular el
comportamiento de la colonia en presencia de un circuito genético. Para ello, se ha
creado un nuevo módulo de regulación genética que maneja las interaciones entre genes
y proteínas de cada célula ejecutando respuestas celulares específicas.
Dado que en la mayoría de los experimentos intervienen colonias del orden de 105
individuos, es necesario un módulo de regulación genética simplificado que permita representar
de la forma más precisa posible este proceso en colonias de tales magnitudes.
El módulo genético integrado en GRO se basa en una red booleana, en la que un gen
puede transitar entre dos estados, on (expresado) o off (reprimido), y cuya transición
viene dada por una serie de reglas lógicas.---ABSTRACT---It is interesting to understand how simple organisms such as Escherichia coli do not
have simple mechanisms to respond to the environment in which they find themselves.
This response is managed by complicated regulatory networks formed by genes and
proteins, where each element of the genetic network should take part in harmony, at
the right time and with the right amount to give rise to the appropriate cellular response.
Synthetic biology is a new area of biology and technology that combines molecular
biology, genetic engineering and computational tools to create biological systems with
novel features. The synthetically created systems are already a reality, and increasingly
accumulate work around the world showing their feasibility. In this field not only minor
changes are made in the genetic information but also genetic circuits designed, manipulated
and introduced into the organisms.
Currently, it takes great effort to build genetic circuits formed by numerous genes and
characterize their interaction with other molecules, their regulation, their expression
and their function in different organisms. Most synthetic biology projects that have
been developed so far are based on the current knowledge of the functioning of living
organisms. However, there is a lot of information and it keeps accumulating, so it requires
computational and mathematical tools to integrate and manage this wealth of
information.
The bacterial colonies simulator, GRO, has the ability to represent the simplest dynamics
of cell behavior, such as growth, division and intercellular communication by
conjugation, but lacks the ability to simulate the behavior of the colony in the presence
of a genetic circuit. To this end, a new genetic regulation module that handles interactions between genes and proteins for each cell running specific cellular responses has
been created.
Since most experiments involve colonies of about 105 individuals, a simplified genetic
module which represent cell dynamics as accurately and simply as possible is needed.
The integrated genetic GRO module is based on a Boolean network, in which a gene
can be in either of two states, on (expressed) or off (repressed), and whose transition
is given by a set of logical rules.