Un sistema de control universal para redes de genes sintéticos

Se ha informado un módulo para implementar un control de retroalimentación robusto en redes celulares sintéticas. Primero se demuestra matemáticamente que su diseño es universal para todas las redes, y luego se implementa en células vivas.

Cualquier persona que haya vivido sin calefacción y refrigeración central ha tenido que aprender las combinaciones correctas de abrir ventanas, encender radiadores o ajustar persianas para obtener la temperatura adecuada. Los termostatos modernos eliminan todo eso: los configura una vez y los controladores incorporados hacen el resto, independientemente de los cambios en el clima o el tipo de hogar. La temperatura todavía puede variar un poco, pero siempre que los calentadores y los enfriadores estén diseñados correctamente, debe variar alrededor del punto de ajuste, en lugar de limitarse simplemente a eliminar el frío o el calor.

Escribiendo en Nature, Aoki y sus colegas informan un sistema análogo para reacciones químicas en células vivas. Específicamente, diseñan un módulo de reacción en el que dos componentes se secuestran entre sí, y muestran que agregar esto a casi cualquier red puede forzar a la salida del sistema a mantener un valor preciso que sea proporcional a una señal de entrada, de una manera que sea robusta tanto a las perturbaciones externas como a la incertidumbre en los parámetros internos, un comportamiento conocido como adaptación perfecta robusta.

Los resultados son sorprendentes por dos razones. Primero, la mayoría de los circuitos bioquímicos auto-correctivos simplemente amortiguan los efectos de los cambios externos, en lugar de compensarlos perfectamente. Por ejemplo, al reprimir automáticamente su propia producción, las proteínas pueden hacer que sus abundancias respondan menos a los cambios de parámetros de lo que serían de otra manera, pero aun así responden en cierta medida, Por lo tanto, tales sistemas se conocen como reguladores homeostáticos porque mantienen niveles de proteína similares (homeo), en lugar de iguales (homo). Segundo, el impacto de agregar reacciones adicionales a una red biomolecular generalmente depende del contexto. Por ejemplo, agregar un paso de represión podría crear un bucle de retroalimentación positivo o negativo, dependiendo del resto de la red. Por lo tanto, la mayoría de los sistemas han sido modelados y diseñados caso por caso,

El enfoque adoptado por Aoki y sus colaboradores es tan sorprendente como sus resultados. Cualquiera que trabaje con biólogos sintéticos eventualmente los escuchará citar las últimas palabras que el físico Richard Feynman escribió en su pizarra: "Lo que no puedo crear, no lo entiendo". Sin embargo, Feynman se refería a derivaciones matemáticas en lugar de a la construcción de lo real. Los sistemas mundiales, como las redes biológicas, y el artículo de Aoki y sus colegas es uno de los pocos en biología sintética que realmente cumple con la cita. Los autores comenzaron por derivar reglas matemáticas exactas que se aplican a amplias clases de sistemas de reacción química, y solo entonces procedieron a construir sistemas físicos que ilustran la regla.

Aunque los resultados de los autores se refieren a la abundancia promedio de moléculas en una población de células, se derivaron utilizando marcos que explican la aleatoriedad inherente de los eventos de reacción individuales en las células individuales. Esto podría parecer una distinción sutil: contabilizar matemáticamente los mecanismos probabilísticos pero luego predecir solo los promedios de las distribuciones estadísticas resultantes. Pero para la mayoría de las redes químicas, en las que las tasas de reacción a menudo dependen no linealmente de las concentraciones, es necesario tener en cuenta las reacciones probabilísticas incluso para predecir los promedios correctos. El inusual nivel de rigor de Aoki y sus colegas a este respecto hace que sus resultados sean mucho más sólidos.

Más específicamente, los autores se centraron en una arquitectura de sistema conocida como control de retroalimentación integral antitética, en la que la retroalimentación se implementa mediante un actuador y moléculas sensoras que se unen irreversiblemente entre sí. Si cada molécula de sensor encuentra constantemente una molécula actuadora asociada, entonces el sistema detecta que la salida coincide correctamente con la entrada. Si, en cambio, hay demasiadas o muy pocas moléculas sensoras, las moléculas del actuador ajustan automáticamente la producción de sensores para tratar de obtener el equilibrio correcto, como un "sistema de compinche" molecular. Aoki et al. compruebe matemáticamente no solo que este circuito tiene la capacidad de implementar una adaptación perfecta y robusta en cualquier red de reacción química, sino también que todas las redes que exhiban una adaptación perfecta y robusta deben en algún nivel incorporar este tipo de motivo de retroalimentación antitética.

Los autores continuaron demostrando que su arquitectura de control teórico puede implementarse en células vivas. Se centraron en un sistema que incorpora proteínas llamadas factores σ, que regulan el inicio de la expresión génica en las bacterias. Algunos factores σ son secuestrados por los socios de unión (factores anti-σ), como el factor σ SigW de la bacteria Bacillus subtilis y su factor anti-σ RsiW. Los investigadores integraron SigW en la bacteria modelo Escherichia coli., y lo usó para regular la expresión de una proteína fluorescente verde (GFP) como informador de la expresión génica. Luego, acoplaron la activación de los genes productores de GFP a la producción de RsiW, que posteriormente secuestra SigW. Los niveles de SigW también estaban regulados por una pequeña molécula que induce la expresión del gen sigW y que actúa como una entrada al circuito. Si el circuito funcionó como se esperaba, entonces la cantidad de fluorescencia verde producida por las células de E. coli debe ser proporcional a los niveles de SigW, y en estado estable debe ser independiente de cualquier otro parámetro.

Por supuesto, Aoki et al. Mostró que la variación de la concentración del inductor podría usarse para controlar la salida de GFP como se esperaba. Sin embargo, cuando el sistema se vio afectado por la adición de una enzima proteasa que degrada tanto la GFP como una proteína que afecta a la producción de RsiW, la señal de fluorescencia cambió de forma transitoria pero luego regresó a un nivel que no se podía distinguir del valor de inicio, lo que demuestra que el circuito sí muestra una robustez. perfecta adaptación, Por el contrario, en un sistema análogo que carecía de control de realimentación, la misma perturbación disminuyó sistemáticamente la concentración de GFP a aproximadamente la mitad de su valor inicial. Los autores incluso reemplazaron GFP con una proteína que regula el crecimiento celular y, por lo tanto, produjeron una E. coli. tensión que creció a una tasa constante, a pesar de los cambios en los factores que de otro modo alterarían la tasa de crecimiento.

Una posible dirección futura para tal trabajo es estudiar el circuito en celdas individuales, en lugar de sus efectos promedio en las poblaciones. Por un lado, el trabajo reciente sugiere que los circuitos de este tipo podrían aumentar las fluctuaciones espontáneas, como también se ha informado para clases relacionadas de esquemas de reacción. Por otro lado, el trabajo teórico publicado anteriormente del mismo grupo de investigación que el de Aoki et al. sugiere que las arquitecturas de circuitos más complejas podrían exhibir una adaptación perfecta y robusta sin amplificar las fluctuaciones espontáneas. Dicho comportamiento será necesario para garantizar que los circuitos puedan realizar funciones cuantitativas precisas en cualquier celda dada, a pesar del ruido y la incertidumbre inherentes. De la misma manera que la reducción de las tasas de error en los circuitos digitales fue esencial para el desarrollo de las computadoras modernas, la capacidad de diseñar subredes de circuitos celulares que funcionen de manera precisa y robusta probablemente será necesaria mientras buscamos ensamblar sistemas celulares sintéticos complejos comparables a los que se encuentran en la naturaleza.

FUENTE:NATURE