Tesis:
Oscillatory genetic circuits:new designs and mathematical models.
- Autor: MIRÓ BUENO, Jesús María
- Título: Oscillatory genetic circuits:new designs and mathematical models.
- Fecha: 2012
- Materia: Sin materia definida
- Escuela: FACULTAD DE INFORMATICA
- Departamentos: INTELIGENCIA ARTIFICIAL
- Acceso electrónico: http://oa.upm.es/14273/
- Director/a 1º: RODRIGUEZ-PATON ARADAS, Alfonso Vicente
- Resumen: Una amplia variedad de organismos han desarrollado relojes biomoleculares internos con el fin de adaptarse a los cambios cíclicos del entorno. El funcionamiento de estos relojes involucra redes genéticas. El modelado de estas redes genéticas es esencial tanto para entender los mecanismos que producen las oscilaciones como para diseñar nuevos circuitos sintéticos en células. Esta tesis doctoral ha dado lugar a dos contribuciones dentro de los campos de los circuitos genéticos en particular, y biología de sistemas y sintética en general. La primera contribución es un nuevo modelo de circuito genético que muestra un comportamiento oscilatorio usando moléculas de ARN catalíticas. La segunda y principal contribución es un nuevo modelo de circuito genético que demuestra que una molécula represora actuando sobre el lazo de un gen auto-activado produce oscilaciones robustas. Primera contribución: Es un nuevo modelo de oscilador genético sintético basado en una típica red genética compuesta por dos genes con dos lazos de retroalimentación, uno positivo y otro negativo. La novedad de este modelo es que el represor es una molécula de ARN catalítica, en lugar de una proteína o una molécula de ARN no-catalítica. Este ARN catalítico es una ribozima que actúa después de la transcripción genética uniéndose y cortando moléculas de ARN mensajero (ARNm). Este reloj genético involucra sólo dos genes, un ARNm y una proteína activadora, aparte de la ribozima. Como ejemplo de funcionamiento, se han escogido valores de los parámetros que producen oscilaciones con periodo circadiano (24 horas) tanto en simulaciones deterministas como estocásticas. La conclusión es que las moléculas de ARN con propiedades catalíticas pueden jugar el mismo papel que las proteínas represoras, y por lo tanto, simplificar el diseño de los osciladores genéticos. Segunda y principal contribución: Es un nuevo modelo de oscilador genético que demuestra que un gen auto-activado junto con una simple interacción negativa puede producir oscilaciones robustas. Este modelo ha sido estudiado y validado matemáticamente. El modelo está compuesto de dos partes bien diferenciadas. La primera parte es un lazo de retroalimentación positiva creado por una proteína que se une al promotor de su propio gen activando la transcripción. La segunda parte es una interacción negativa en la que una molécula represora evita la unión de la proteína con el promotor. Un estudio estocástico muestra que el sistema es robusto al ruido. Un estudio determinista muestra que la dinámica del sistema es debida principalmente a dos tipos de biomoléculas: la proteína, y el complejo formado por el represor y esta proteína. La conclusión principal de este estudio es que una simple y usual interacción negativa, tal como una degradación, un secuestro o una inhibición, actuando sobre el lazo de retroalimentación positiva de un solo gen es una condición suficiente para producir oscilaciones robustas. Un gen es suficiente y el lazo de retroalimentación positiva no necesita activar a un segundo gen represor, tal y como ocurre en los relojes actuales con dos genes. Esto significa que a nivel genético un lazo de retroalimentación negativa no es necesario de forma explícita. Además, este modelo no necesita reacciones cooperativas ni la formación de multímeros proteicos, al contrario que en muchos osciladores genéticos. Aplicaciones y futuras líneas de investigación: El primer modelo de oscilador genético propuesto en esta tesis usa ribozimas como moléculas represoras. Esto podría proporcionar nuevos principios de diseño en biología sintética y una mejor comprensión de los relojes celulares regulados por moléculas de ARN. El segundo modelo de oscilador genético propuesto aquí involucra sólo una represión actuando sobre un gen auto-activado y produce oscilaciones robustas. Sorprendentemente, un segundo gen represor no es necesario al contrario que en los bien conocidos osciladores con dos genes. Este resultado podría ayudar a clarificar los principios de diseño de los relojes celulares naturales y constituir una nueva y eficiente herramienta para crear osciladores genéticos sintéticos. Algunas de las futuras líneas de investigación abiertas tras esta tesis son: (1) la validación in vivo e in vitro de ambos modelos, (2) el estudio del potencial del segundo modelo como circuito base para la construcción de una memoria genética, (3) el estudio de nuevos osciladores genéticos regulados por ARN no codificante y, por último, (4) el rediseño del segundo modelo de oscilador genético para su uso como biosensor capaz de detectar genes auto-activados en redes genéticas.