Matemático KAIST revela el mecanismo para sostener biológica rhythmsThe Corea del Instituto Avanzado de Ciencia y Tecnología (KAIST)

IMAGEN: Esta imagen esquemática es el diseño de un circuito biológica entre dos cepas de bacterias y la parte de las ecuaciones diferenciales utilizado para comprender la función de la circuit.view biológica más

Crédito: KAIST

Daejeon, República de Corea 28 de agosto, el año 2015 – Nuestros cuerpos tienen una variedad de relojes biológicos que siguen ritmos u oscilaciones con períodos que van de segundos a días. Por ejemplo, nuestros corazones laten cada segundo, y las células se dividen de forma periódica. El reloj circadiano situado en el hipotálamo genera veinticuatro horas ritmos, el momento de nuestra liberación de la hormona del sueño y. ¿Cómo estos relojes biológicos o circuitos de generar y mantener los ritmos estables que son esenciales para la vida?

Jae Kyoung Kim, que es un profesor asistente en el Departamento de Ciencias Matemáticas en KAIST, ha predicho cómo estos circuitos biológicos generan ritmos y controlar su robustez, utilizando el modelado matemático basado en ecuaciones diferenciales y el muestreo de parámetros estocásticos. Sobre la base de su predicción, utilizando la biología sintética, un equipo de investigación dirigido por Matthew Bennett, de la Universidad de Rice construye un circuito biológico novedoso que abarca dos cepas genéticamente modificadas de bacterias, uno sirve como activador y el otro como un represor para regular la expresión génica a través de múltiples tipos de células, y se encontró que el circuito genera sorprendentemente ritmos robustos en diversas condiciones.

Los resultados de la investigación llevada a cabo en colaboración con KAIST (Instituto Coreano de Ciencia y Tecnología), la Universidad de Rice, y se publicaron en Science de la Universidad de Houston (28 de agosto de 2015 edición). El título del artículo es “emergente Oscilaciones genéticos en un consorcio microbiano sintético”.

El enfoque de investigación de arriba hacia abajo, que se centra en la identificación de los componentes de los circuitos biológicos, limita nuestra comprensión de los mecanismos en los que los circuitos generadores de ritmos. La biología sintética, un campo de rápido crecimiento en la interfase de las ciencias biológicas y de ingeniería, sin embargo, utiliza un enfoque de abajo hacia arriba.

Los biólogos sintéticos pueden crear circuitos complejos de componentes más simples, y algunos de estos nuevos circuitos genéticos son capaces de fluctuación para regular la producción de genes. De la misma manera que los ingenieros eléctricos a entender cómo funciona un circuito eléctrico mientras construyen baterías, resistencias y cables, los biólogos sintéticos pueden comprender mejor acerca de los circuitos biológicos si los ponen juntos utilizando los genes y las proteínas. Sin embargo, debido a la complejidad de los sistemas biológicos, ambos experimentos y los modelos matemáticos tienen que aplicarse la mano para diseñar estos circuitos biológicos y comprender su función.

En esta investigación, un enfoque interdisciplinario demostró que un circuito de singularización intercelular sintética genera ritmos robustos para crear un sistema microbiano cooperativa. Específicamente, el análisis matemático de Kim sugirió, y experimentos confirmaron, que la presencia de bucles de retroalimentación negativa, además de un bucle de realimentación negativa núcleo transcripcional puede explicar la robustez de los ritmos en este sistema. Este resultado proporciona importantes pistas sobre el mecanismo fundamental de robusta generación de ritmo en los sistemas biológicos.

Además, en lugar de la construcción de todo el circuito dentro de una única cepa bacteriana, el circuito se dividió entre dos cepas de la bacteria Escherichia coli. Cuando las cepas se cultivaron en conjunto, las bacterias intercambian información, completando el circuito. Por lo tanto, esta investigación también muestra cómo, mediante la regulación de las células individuales dentro del sistema, los sistemas biológicos complejos se pueden controlar, que a su vez influye en la otra (por ejemplo, el microbioma intestinal en los seres humanos).

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