Biologia sintética: novas regras de engenharia para uma disciplina emergente

REVISÃO

Biologia sintética: novas regras de engenharia para uma disciplina emergente

introdução

A biologia sintética vai revolucionar a forma como conceituar e abordar a engenharia de sistemas biológicos. A visão e as aplicações deste campo emergente irão influenciar muitas outras disciplinas científicas e de engenharia, bem como afetar vários aspectos da vida cotidiana e da sociedade.

Nesta revisão, nós discutimos e analisamos os recentes avanços na biologia sintética para sistemas vivos complexos de engenharia através de novas montagens de moléculas biológicas. A descoberta da lógica matemática na regulação dos genes na década de 1960 (por exemplo, o operon lac; Monod e Jacob, 1961) e primeiras realizações da engenharia genética que ocorreram na década de 1970, como a tecnologia do DNA recombinante, pavimentou o caminho para a biologia sintética de hoje.  A biologia sintética amplia o espírito da engenharia genética para se concentrar em sistemas inteiros de genes e produtos de genes. O foco em sistemas, em oposição aos genes individuais ou caminhos é compartilhada pela disciplina contemporânea da biologia de sistemas, que analisa os organismos biológicos em sua totalidade. Biólogos sintéticos projetar e construir sistemas biológicos artificiais complexos usando muitos perpecepção descobertos por biólogos sistemas e compartilhar sua perspectiva holística.

O objetivo da biologia sintética é estender ou modificar o comportamento dos organismos e engenheiro-los para executar novas tarefas. Uma analogia útil para conceituar tanto o objetivo e métodos de biologia sintética é a hierarquia engenharia da computação (Figura 1). Dentro da hierarquia, cada parte constituinte é incorporado em um sistema mais complexo que fornece seu contexto. Projeto de novo comportamento ocorre com o topo da hierarquia em mente, mas é implementado de baixo para cima. Na parte inferior da hierarquia são de DNA, RNA, proteínas, e metabolitos (incluindo lípidos e hidratos de carbono, aminoácidos e nucleótidos), análoga à camada física de transistores, condensadores e resistências em engenharia de computador. A próxima camada, a camada do dispositivo, compreende as reacções bioquímicas que regulam o fluxo de informações e de manipular os processos físicos, equivalentes a portas lógicas engenharia que realizam cálculos em um computador. Na camada de módulo, o biólogo sintética utiliza uma biblioteca diversificada de dispositivos biológicos para montar as vias complexas que funcionam como circuitos integrados. A ligação destes módulos uns aos outros e à sua integração em células hospedeiras permite que o biólogo sintético para estender ou modificar o comportamento das células de uma forma programática. Embora as células modificadas que operam de forma independente pode realizar tarefas de complexidade variável, tarefas coordenadas mais sofisticados são possíveis com populações de células se comunicam, muito parecido com o caso de redes de computadores.

É útil para aplicar muitas normas existentes para a engenharia de campos bem estabelecidos, incluindo software e engenharia elétrica, engenharia mecânica e engenharia civil, a biologia sintética. Métodos e critérios, tais como a normalização, a abstração, modularidade, a previsibilidade, confiabilidade e uniformidade aumentar muito a velocidade e tratabilidade de design. No entanto, é preciso ter cuidado em adotar diretamente métodos aceitos e os critérios para a engenharia da biologia. Devemos ter em mente o que faz com que a biologia sintética diferente de todas as disciplinas de engenharia anteriores. O conhecimento adquirido de apreciar plenamente estas diferenças é fundamental para o desenvolvimento de normas e métodos apropriados. Construir sistemas biológicos envolve um conjunto único de problemas de design e soluções. Dispositivos biológicos e módulos não são objectos independentes, e não são construídos, na ausência de um ambiente biológico. Dispositivos biológicos e módulos funcionam normalmente em um ambiente celular. Quando os biólogos sintéticos projetar dispositivos ou módulos, eles fazem isso usando os recursos e as máquinas de células hospedeiras, mas no processo também se modificam as células. Uma das principais preocupações neste processo é a nossa incapacidade atual para prever totalmente as funções do mesmo dispositivos simples em células de engenharia e construção de sistemas que executam tarefas complexas com precisão e confiabilidade. A falta de poder de previsão decorre de várias fontes de incerteza, alguns dos quais significam a incompletude das informações disponíveis sobre as características celulares inerentes. Os efeitos do ruído a expressão do gene, mutação, a morte celular, ambientes extracelulares indefinidos e evolutivos e interações com contexto celular atualmente nos impedir de engenharia de células individuais com a confiança de que podemos projetar computadores para fazer tarefas específicas. No entanto, a maioria das aplicações ou tarefas que estabelecemos para os nossos sistemas biológicos sintéticos são geralmente completada por uma população de células, e não qualquer célula única. Em um sistema de síntese, previsibilidade e fiabilidade pode ser conseguida de duas formas: estatisticamente, utilizando um grande número de células independentes ou por sincronizar as células individuais através da comunicação intercelular para fazer com que cada célula mais previsível e fiável. Mais importante ainda, a comunicação intercelular pode coordenar tarefas entre as populações celulares heterogêneas para provocar um comportamento altamente sofisticado. Assim, pode ser melhor se concentrar em sistemas multicelulares para alcançar a confiabilidade geral na execução de tarefas complexas.

Dispositivos biológicos

Os biólogos estão familiarizados com a manipulação de genes e proteínas para investigar suas propriedades e entender os processos biológicos. Biólogos sintéticos também deve manipular o material elementos da célula, mas fazê-lo com o propósito de projeto, para construir sistemas biológicos sintéticos. biólogos sintéticos projetar sistemas complexos através da combinação de unidades de projeto básico que representam funções biológicas. A noção de um dispositivo é uma abstração sobrepostos em processos físicos que permite decomposição de sistemas em duas partes funcionais básicos. biológico entradas do processo de dispositivos para produzir saídas regulando fluxo de informação, realizando metabólica e biossintética funções, e a interface com outros dispositivos e os seus ambientes. Dispositivos biológicos representam conjuntos de um ou mais reações bioquímicas, incluindo a transcrição, tradução, fosforilação de proteínas, regulação alostérica, ligante / receptor vinculativo, e reações enzimáticas. Alguns dispositivos podem incluem muitos diversos reagentes e os produtos (por exemplo, um transcricionais dispositivo inclui um gene regulado, factores de transcrição, sítio promotor, e RNA polimerase), ou muito poucos (por exemplo, uma proteína dispositivo inclui uma fosforilação da quinase e um substrato). o diversas bioquímicas subjacentes aos diferentes dispositivos de cada um fornecer as suas próprias vantagens e limitações. dispositivo especial tipos pode ser mais adequado para as actividades biológicas específicas e escalas de tempo. Embora a diversidade de reacções bioquímicas faz com que seja difícil a interface de dispositivos, permite a construção sistemas de complexos com funcionalidades ricas. Podemos apropriar dispositivos inalterados da natureza, para exemplo, o factor de transcrição (s) e de um promotor regulamentado gene, para uso em nossos sistemas artificiais, ou podemos construir dispositivos de reagentes bioquímicos modificados. O primeiro dispositivos biológicos sintéticos transcrição controlada modificando sequências do promotor de transcrição ligam novela ativadores e repressores em procariotas e eucariotas (Baron et ai, 1997; Lutz e Bujard, 1997; Becskei e Serrano, 2000; Lutz et al, 2001). Esforços recentes também se concentrou em controlo não-transcricional. RNAs não-codificantes podem ativar ou a expressão do gene silêncio regulando eventos de tradução em procariotas (Isaacs et al, 2004) (Figura 2A). sintético biólogos também estendeu a utilização de não-codificadora reguladora RNAs para eucariontes (Bayer e Smolke, 2005). O não-codificante RNAs introduzidas em Saccharomyces cerevisiae consistiu de domínios aptamer que ligam ligandos específicos e domínios antisense que visam mRNAs. O RNA não-codificante sofre uma alteração conformacional após ligação ao seu ligando que permite que o domínio de anti-sentido para se ligarem a ARNm alvo, modulando assim a tradução.

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