Ingeniera Civil en Biotecnología / La Biología Sintética es un campo emergente a nivel internacional que integra la ingeniería a la biología, permitiendo el uso de organismos como máquinas o herramientas para solucionar problemas tanto ambientales como energéticos y de salud. Sin embargo, en Chile está poco desarrollada, a pesar de algunos esfuerzos recientes desde el 2012. Por los principios ingenieriles transversales que trae (estandarización, modularidad, abstracción), su interdisciplinaridad y la visión colaborativa que la caracteriza, la Biología Sintética se vuelve una disciplina de alto interés para la formación educativa de los profesionales de mañana. Se propone en esta memoria la construcción de un oscilador biológico llamado represilador y del circuito electrónico equivalente, ambos simulados mediante un modelo matemático. El objetivo es utilizar estos sistemas para transparentar la analogía de comportamientos existentes entre Biología, Electrónica e Informática, basada en los principios de estandarización, modularidad y abstracción y utilizarlos como medio pedagógico. Por una parte, se construyó el represilador con técnicas estandarizadas de ensamblaje de ADN como el Gibson Assembly, basándose en el trabajo de Elowitz [1]. Por otra parte, el oscilador electrónico se construyó en base a la información encontrada en la literatura, proponiendo la integración de LEDs en el circuito como reporteros del comportamiento de las tensiones de salida de cada unidad electrónica, estas últimas representando las concentraciones de los distintos represores en el sistema biológico. Finalmente, la simulación de ambos osciladores se realiza mediante modelos matemáticos implementados en Matlab, permitiendo el análisis de la sensibilidad de los parámetros asociados a cada set de ecuaciones. La construcción del represilador se completó parcialmente con el ensamblaje exitoso del plásmido conteniendo el módulo PLacI-TetR-RFP. Una discusión importante que se desprende es la crítica acerca del uso de partidores flanqueando zonas estándares diseñadas para el ensamblaje de ADN mediante enzimas de restricción, que perjudica la especificidad de las reacciones de PCR y por lo tanto dificulta la purificación y la reamplificación de fragmentos ensamblados de interés. El oscilador electrónico se implementó exitosamente en el laboratorio de electrónica de la Facultad y la simulación con el programa LTSpiceIV mostró que los LEDs rompen la dinámica oscilante. La simulación informática de los sistemas biológico y electrónico mostró que ambos tienen efectivamente un comportamiento oscilatorio. El análisis de sensibilidad identificó la expresión basal de los promotores como parámetro crítico para la generación de oscilaciones en el sistema genético y la alimentación del polo negativo de los amplificadores operacionales como parámetro determinante en la persistencia de éstas en el sistema electrónico. En paralelo, se diseñó una actividad pedagógica para el curso de Biología para Ingenieros y Científicos de la Facultad para llevar este trabajo a una aplicación. En base a los resultados obtenidos, se concluye que se cumplió parcialmente los objetivos planteados y se propone un plan de acción a futuro para terminar el trabajo, el cual podría eventualmente ser aprovechado en el proyecto piloto de Educación y Cultura CTI del gobierno. Primero, se tiene que realizar los últimos ensamblajes genéticos para completar la construcción del represilador y luego monitorear la fluorescencia de las bacterias transformadas con el represilador. En el caso del sistema electrónico, se volverá al laboratorio para determinar el efecto de la inserción de los LEDs sobre la dinámica oscilatoria y probar varios sets de resistencias y condensadores para modificar la frecuencia de las oscilaciones. En cuanto a la simulación informática, se ajustará en el futuro a los parámetros experimentales de ambos sistemas biológico y electrónico.

El desarrollo de tecnologías para sintetizar nuevos genomas e introducirlos dentro de hospedadores con sus respectivos cromosomas naturales inactivados abre las puertas a nuevos horizontes en biología sintética. Es de suma importancia aprovechar la habilidad de usar métodos computacionales para predecir y optimizar genomas sintéticos antes de llevar a cabo su síntesis. El objetivo de esta tesis es propulsar la ingeniería de genomas sintéticos de una célula procariota y otras dos eucariotas usando modelos cuantitativos a escala genómica. Así pues, he desarrollado una nueva metodología para el diseño automatizado de genomas sintéticos que se basa en una optimización que computacionalmente imita la evolución natural de genomas. Primero, he abordado el diseño de la red genómica transcripcional de Escherichia coli con adaptación a entornos cambiantes. Aplicando métodos de ingeniería reversa a los datos masivos disponibles de la transcripción y señalización para la bacteria, tratamos entender los principios de diseño que determinan la regulación de su transcriptoma. Encontramos que el genoma de E. coli puede ser rediseñado de tal forma que tenga una estructura reguladora transcripcional más simple manteniendo aún la respuesta fisiológica global ante ambientes fluctuantes. Estos genomas son más sensibles y muestran una respuesta más robusta ante ambientes agresivos. Segundo, he estudiado cómo los virus reprograman los chasis celulares de sus hospedadores asumiendo que existen mecanismos por los cuales los virus son capaces de superar con éxito las defensas expuestas por los hospedadores y modificar la expresión de sus genes en su propio beneficio. He desarrollado un nuevo modelo cuantitativo de la regulaci\'on transcripcional a nivel genómico de Arabidopsis thaliana para explorar el paisaje de posibles genomas rediseñados. Encontré un conjunto básico de genes del hospedador cuyos silenciamiento o sobre-expresión dieron pie a la predicción de perfiles de transcripción que s / Carrera Montesinos, J. (2012). AUTOMATIC COMPUTATIONAL DESIGN OF SYNTHETIC GENOMES [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/35380 / Palancia

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Synthetic biology is a fairly recent field that aims to engineer novel functions in biological systems. In a broad sense synthetic biology encompasses the development of tools that makes the engineering of biology easier. In this thesis I develop a collection of standard DNA parts (Biobricks) that consists of a tool to build custom eukaryotic plasmids. This is not just intended for biology researchers in the field of synthetic biology, but also for more general use. Besides the development of molecular biology tools that facilitate the engineering of biology, synthetic biology researchers have implemented devices that are electronics-like in behavior and have demonstrated the potential of the field for the production of biofuels, pharmaceutics and biosensors. Here I present a sensor of iron regulatory protein activity, based on Biobricks. To demonstrate its use I apply it to the study of a novel reconstituted two cell-type co-culture (BNL CL.2 and RAW 264.7), surrogate for hepatocyte-macrophage communication / La biología sintética es un campo recientemente desarrollado con el objectivo de implementar nuevas funciones en sistemas biológicos. De forma global, la biología sintética incluye el desarrollo de herramientas para facilitar la ingeniería de sistemas biológicos. En diversas publicaciones, investigadores en el campo de la biología sintética han implementado dispositivos que funcionan de forma similar a circuitos electrónicos y han demonstrado el potencial del campo para la producción de biocarburantes, farmaceuticos y biosensores. Para la presente tesis he creado una colección de plasmidos estandarizados (Biobricks) que pueden ser de interés para biólogos fuera del campo da la biología sintética. Además, utilizando estos Biobricks, he creado un sensor de la actividad de las proteínas reguladas por el hierro. Para demonstrar su aplicación, he utilizado el sensor para estudiar un nuevo sistema de co-cultura de dos tipos celulares (BNL CL.2 y RAW 264.7), substituto para la comunicación entre hepatocitos y macrófagos

En los últimos veinte años el número de genomas completos que han sido secuenciados y depositados en bancos de datos  ha crecido dramáticamente. Esta abundancia de información de secuencias ha servido de base para la creación de una disciplina llamada paleogenética. En este artículo, sin ahondar en algoritmos complejos, presentamos algunos conceptos clave para comprender cómo las proteínas han evolucionado con el tiempo. Luego ilustraremos como la paleogenética es utilizada en biotecnología. Estos ejemplos resaltan la conexión entre la química y la biología, dos disciplinas que quizás veinte años atrás parecían ser mucho más distintas que lo que parecen ser hoy. / In the last twenty years, the number of complete genomes that have been sequenced and deposited in data banks has grown dramatically. This abundance in sequence information has supported the creation of the discipline known as  paleogenetics. In this article, without going into complex algorithms, we present some key concepts for understanding how proteins have evolved in time. We then illustrate how paleogenetic analysis can be used in biotechnology. These examples highlight the connection between chemistry and biology, two disciplines that twenty years ago seemed to be more different than what they seem to be today.

[ES] La Biología Sintética de Plantas tiene como objetivo rediseñar las plantas para que adquieran características y funcionalidades novedosas a través de circuitos reguladores ortogonales. Para lograr este objetivo, se deben desarrollar nuevas herramientas moleculares con la capacidad de interactuar con factores endógenos de manera potente y específica. CRISPR/Cas9 surgió como una herramienta prometedora que combina la capacidad personalizable de unión al DNA, a través de la versión catalíticamente inactivada de la proteína Cas9 (dCas9), con la posibilidad de anclar dominios autónomos de activación transcripcional (TADs) a su estructura para lograr una regulación específica de la expresión génica. Los activadores transcripcionales programables (PTAs) pueden actuar como procesadores específicos, ortogonales y versátiles para el desarrollo de nuevos circuitos genéticos en las plantas. En busca de dCas9-PTA optimizados, se llevó a cabo una evaluación combinatoria de diferentes arquitecturas dCas9 con un catálogo de varios TAD. La mejor herramienta resultante de esta comparación, denominada dCasEV2.1, se basa en la estrategia scRNA y la combinación de los dominios de activación EDLL y VPR con un bucle multiplexable gRNA2.1, que es una versión mutada del gRNA2.0 descrito previamente. En este trabajo, el activador programable dCasEV2.1 demostró ser una herramienta potente y específica, logrando tasas de activación más altas que otras estrategias dCas9 disponibles en plantas. Se observaron tasas de activación sin precedentes dirigidas a genes endógenos en N. benthamiana, acompañadas de una estricta especificidad en todo el genoma, lo que hace que esta herramienta sea adecuada para la regulación estricta de redes reguladoras complejas. Como prueba de concepto, se diseñaron cuatro programas de activación para distintas ramas de la ruta de los flavonoides, buscando obtener enriquecimientos metabólicos específicos en hojas de N. benthamiana. El análisis metabólico de las hojas metabólicamente reprogramadas mediante dCasEV2.1 reveló un enriquecimiento selectivo de los metabolitos diana y sus derivados glicosilados, que se correlacionaron con el programa de activación empleado. Estos resultados demuestran que dCasEV2.1 es una herramienta eficaz para la ingeniería metabólica y un componente clave en los circuitos genéticos destinados a reprogramar los flujos metabólicos. Finalmente, basándonos en dCasEV2.1, desarrollamos un sistema optimizado de regulación de genes inducidos por virus (VIGR) que utiliza un vector Potato Virus X (PVX) para el suministro de los programas de activación CRISPR codificados con gRNA. Este enfoque permite controlar el transcriptoma de la planta a través de una aplicación sistémica basada en aerosol de componentes CRISPR a plantas adultas. El nuevo sistema PVX-VIGR produjo una fuerte activación transcripcional en varios genes diana endógenos, incluidos tres factores de transcripción MYB-like seleccionados. Las activaciones específicas de MYB condujeron a perfiles metabólicos distintivos, demostrando que las aplicaciones potenciales de la herramienta dCasEV2.1 en plantas incluyen la obtención de perfiles metabólicos personalizados utilizando un suministro basado en aerosol de instrucciones de reprogramación transcripcional codificadas por gRNA. En resumen, esta tesis proporciona herramientas novedosas para la activación transcripcional fuerte, ortogonal y programable en plantas, con una caja de herramientas ampliada para el suministro de los programas de activación. / [CA] La Biologia Sintètica de Plantes té com objectiu redissenyar les plantes per que obtinguen característiques i funcionalitats innovadores mitjançant circuits reguladors ortogonals. Per arribar a aquest objectiu, s'han de desenvolupar noves ferramentes moleculars amb la capacitat d'interactuar amb factor endògens d'una manera potent i específica. CRISPR/Cas9 va sorgir com una ferramenta prometedora que combina la capacitat personalitzable d'unió al DNA, mitjançant la versió catalíticament inactivada de la proteïna Cas9 (dCas9), amb la possibilitat de fixar dominis autònoms de activació transcripcional (TADs) a la seua estructura per aconseguir una regulació específica de la expressió gènica. Els activadors transcripcionals programables (PTAs) poden actuar com a processadors específics, ortogonals i versàtils per al desenvolupament de nous circuits genètics a les plantes. Buscant dCas9-PTA optimitzats, es va realitzar una avaluació combinatòria de distintes arquitectures dCas9 amb un catàleg de diversos TAD. La millor ferramenta segons aquesta comparació, anomenada dCasEV2.1, es basa en la estratègia scRNA i la combinació del dominis d'activació EDLL i VPR amb un bucle multiplexable gRNA2.1, que es una versió mutada del gRNA2.0 descrit prèviament. En aquest treball, el activador programable dCasEV2.1 es va mostrar com una ferramenta potent i específica, aconseguint nivells d'activació majors que altes estratègies dCas9 disponibles en plantes. Es van observar taxes d'activació sense precedents dirigides a gens endògens en N. benthamiana, junt a una estricta especificitat en tot el genoma, indicant que aquesta ferramenta és adequada per a la regulació estricta de xarxes reguladores complexes. Como proba de concepte, se van dissenyar quatre programes d'activació per a diferent branques de la ruta dels flavonoides, cercant obtenir enriquiments metabòlics específics en fulles de N. benthamiana. L'anàlisi metabòlic de les fulles metabòlicament reprogramades mitjançant dCasEV2.1 va revelar un enriquiment selectiu del metabòlits diana i els seus derivats glicosilats que es correlacionen amb el programa d'activació emprat. Aquests resultats demostren que dCasEV2.1 és una ferramenta eficaç per a l'enginyeria metabòlica i un component clau als circuits genètics destinats a reprogramar els fluxos metabòlics. Finalment, en base a dCasEV2.1, desenvoluparem un sistema optimitzat de regulació de gens induïts per virus (VIGR) que utilitza un vector Potato Virus X (PVX) per al subministrament dels programes d'activació CRISPR codificats amb gRNA. Aquesta aproximació permet controlar el transcriptoma de la planta mitjançant l'aplicació sistèmica basada en aerosol de components CRISPR a plantes adultes. El nou sistema PVX-VIGR va produir una gran activació transcripcional en diversos gens diana endògens, inclosos tres factors de transcripció MYB-like seleccionats prèviament. Les activacions específiques de MYB conduïren a perfils metabòlics distintius, demostrant que les aplicacions potencials de la ferramenta dCasEV2.1 en plantes inclouen la obtenció de perfils metabòlics personalitzats emprant un subministrament basat en aerosol de instruccions de reprogramació transcripcional codificades per gRNA. En resum, aquesta tesis proporciona noves ferramentes per a l'activació transcripcional forta, ortogonal i programable en plantes, amb una caixa de ferramentes eixamplada per al subministraments dels programes d'activació. / [EN] Plant Synthetic Biology aims to redesign plants to acquire novel traits and functionalities through orthogonal regulatory circuits. To achieve this goal, new molecular tools with the capacity of interacting with endogenous factors in a potent and specific manner must be developed. CRISPR/Cas9 emerged as promising tools which combine a customizable DNA-binding activity through the catalytically inactivated version of Cas9 protein (dCas9) with the possibility to anchor autonomous transcriptional activation domains (TADs) to its structure to achieve a specific regulation of the gene expression. The Programmable Transcriptional Activators (PTAs) could act as specific, orthogonal and versatile processor components in the development of new genetic circuits in plants. In search for optimized dCas9-PTAs, a combinatorial evaluation of different dCas9 architectures with a catalogue of various TADs was performed. The best resulting tool of this comparison, named dCasEV2.1, is based on the scRNA strategy and the combination of EDLL and VPR activation domains with a multiplexable gRNA2.1 loop, which is a mutated version of the previously described gRNA2.0. In this work, the dCasEV2.1 programable activator was proved to be a strong and specific tool, achieving higher activation rates than other available dCas9 strategies in plants. Unprecedented activation rates were observed targeting endogenous genes in N. benthamiana, accompanied by strict genome-wide specificity that makes this tool suitable to perform a tight regulation of complex regulatory networks. As a proof of concept, a design of four activation programs to activate different branches of the flavonoid pathway and obtain specific metabolic enrichments in N. benthamiana leaves was performed. The metabolic analysis on the dCasEV2.1 metabolically reprogrammed leaves revealed a selective enrichment of the targeted metabolites and their glycosylated derivatives that correlated with the activation program employed. These results demonstrate that dCasEV2.1 is a powerful tool for metabolic engineering and a key component in genetic circuits aimed at reprogramming metabolic fluxes. Finally, based on dCasEV2.1, we developed an optimized Viral Induced Gene Regulation (VIGR) system that makes use of a Potato Virus X (PVX) vector for the delivery of the gRNA-encoded CRISPR activation programs. This approach offers a way to control the plant transcriptome through a spray-based systemic delivery of CRISPR components to adult plants. The new PVX-VIGR system led to strong transcriptional activation in several endogenous target genes, including three selected MYB-like transcription factors. Specific MYB activations lead to distinctive metabolic profiles, showing that the potential applications of the dCasEV2.1 tool in plants include the obtention of custom metabolic profiles using a spray-based delivery of gRNA-encoded transcriptional reprogramming instructions. In sum, this thesis provides novel tools for strong, orthogonal and programmable transcriptional activation in plants, with an expanded toolbox for the delivery of the activation programs. / Selma García, S. (2022). Development of CRISPR-based programmable transcriptional regulators and their applications in plants [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/185046 / TESIS

El origen de la vida en la Tierra es una de las preguntas más difíciles presentadas a la ciencia. En los últimos 60 años, ha habido un progreso considerable en entender cómo moléculas relativamente sencillas, que son relevantes para la vida, pueden ser generadas espontáneamente o pueden llegar a la Tierra desde el espacio. Además, los análisis de la evolución de la historia de ácidos nucleicos, los cuales almacenan la información genética, apuntan a un ancestro común universal ya extinto. Los estudios del origen de la vida ofrecen muchas pistas que apuntan hacia un origen común, quizás no solo en el Tierra sino también en algún otro punto del sistema solar. Debido al largo tiempo transcurrido desde que la Tierra empezó a albergar vida, las pistas más antiguas de los primeros organismos se han perdido. Es muy poco probable encontrar exactamente cómo fue este primer organismo. Sin embargo, en los últimos años la biología sintética ha logrado progresar mucho en la modificación de biomoléculas, en particular, los ácidos nucleicos. Es posible que pronto podamos construir y comprender un sistema minimalista en el cual las moléculas puedan copiarse a sí mismas dentro de una célula rudimentaria. El estudio de un sistema así podría permitirnos develar el origen de los primeros organismos. / The origin of life on Earth is one of the most challenging questions in science. In the last 60 years, considerable progress has been made in understanding how simple molecules relevant to life can be generated spontaneously or are known to arrive to Earth from space. Additionally, analysis of the evolution history of nucleic acids, which are the repository of genetic information, points to a now extinct, universal common ancestor for all life on Earth. The studies of the origin of life offer many clues towards a common origin, perhaps not just on Earth but somewhere else in the solar system. However due to the length of time that the Earth has harbored life, the oldest clues of the first organisms are mostly gone. It is unlikely to find exactly what this first organism was like. Nevertheless, in the last few years, synthetic biology has made remarkable progress at modifying biomolecules, particularly nucleic acids. It is possible that soon we will be able to construct and understand a minimalistic system in which molecules can copy themselves in a protocell. The study of such systems could shed light into the origin of the first organisms.

Los importantes avances en la investigación, de numerosas áreas de conocimiento, han venido propiciados por una mejora en las estrategias de computación empleadas. A modo de ejemplo, la Computación de Altas Prestaciones permite la utilización colaborativa de múltiples procesadores para acelerar la resolución de problemas científicos, e incluso abordar problemas de mayor dimensión. Sin embargo, existen diversas aplicaciones cuyos requisitos computacionales pueden llegar a exceder la capacidad de cómputo de una única organización. En este sentido, los recientes incrementos en el ancho de banda de las redes de comunicaciones han propiciado la idea de unir recursos computacionales geográficamente distribuidos, proporcionando una infraestructura global de computación conocida como el Grid. En esta tesis se combina la Computación de Altas Prestaciones y la Computación en Grid con el objetivo de acelerar la ejecución de aplicaciones científicas, y permitir la resolución de problemas que no pueden ser abordados, en tiempo razonable, con los recursos de una sola organización. Para ello se ha desarrollado un sistema que ofrece una capa de abstracción que simplifica la ejecución de aplicaciones científicas generales sobre infraestructuras Grid. Este sistema, denominado GMarte, ofrece funcionalidad de metaplanificación de tareas para la ejecución concurrente de aplicaciones paralelas sobre recursos basados en Globus Toolkit, el software estándar en Grids computacionales. Posteriormente, y de acuerdo a la tendencia actual hacia las arquitecturas software orientadas a servicios, se ha construido un servicio Grid de metaplanificación genérico, interoperable y basado en tecnologías estándar. Este servicio Grid aporta funcionalidad de metaplanificador a múltiples clientes, que interactúan con él por medio de herramientas gráficas de alto nivel, utilizando mecanismos de seguridad para la protección de datos. De esta manera se consigue simplificar y potenciar la utilización de las te / Moltó Martínez, G. (2007). Computación de altas prestaciones sobre entornos grid en aplicaciones biomédicas: simulación de la actividad eléctrica cardiaca y diseño de proteínas [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/1831 / Palancia

[ES] Esta Tesis ha sido dedicada al modelado multiescala considerando al anfitrión celular para el análisis y ajuste de circuitos genéticos sintéticos para bioproducción. Los objetivos principales fueron: 1. El desarrollo de un modelo que considere el anfitrión celular de tamaño reducido enfocado para simulación y análisis. 2. El desarrollo de herramientas de programación para el modelado y la simulación, orientada a la biología sintética. 3. La implementación de un modelo multiescala que considere las escalas relevantes para la bioproducción (biorreactor, célula y circuito sintético). 4. El análisis del controlador antitético considerando las interacciones célula-circuito, como ejemplo de aplicación de las herramientas desarrolladas. 5. El desarrollo y la validación experimental de leyes de control robusto para biorreactores continuos. El trabajo presentado en esta Tesis cubre las tres escalas del proceso de bioproducción. La primera escala es el biorreactor: esta escala considera la dinámica macroscópica del sustrato y la biomasa, y como estas dinámica se conecta con el estado interno de las células. La segunda escala es la célula anfitriona: esta escala considera la dinámica interna de la célula y la competencia por los recursos limitados compartidos para la expresión de proteínas. La tercera escala es el circuito genético sintético: esta escala considera la dinámica de expresión de los circuitos sintéticos exógenos y la carga que inducen en la célula anfitriona. Por último, como <<cuarta>> escala, parte de la Tesis se ha dedicado a desarrollar herramientas de software para el modelado y la simulación. Este documento se divide en siete capítulos. El Capítulo 1 es una introducción general al trabajo de la Tesis y su justificación; también presenta un mapa visual de la Tesis y enumera las principales contribuciones. El Capítulo 2 muestra el desarrollo del modelo del anfitrión celular (los Capítulos 4 y 5 hacen uso de este modelo para sus simulaciones). El Capítulo 3 presenta OneModel: una herramienta de software desarrollada en la Tesis que facilita el modelado y la simulación en biología sintética, en particular, facilita el uso del modelo del anfitrión celular. El Capítulo 4 utiliza el modelo del anfitrión celular para montar el modelo multiescala que considera el biorreactor y analiza el título, la productividad y el rendimiento en la expresión de una proteína exógena. El Capítulo 5 analiza un circuito más complejo, el recientemente propuesto y muy citado controlador biomolecular antitético, utilizando el modelo del anfitrión celular. El Capítulo 6 muestra el diseño de estrategias de control no lineal que permiten controlar la concentración de biomasa en un biorreactor continuo de forma robusta. El Capítulo 7 resume y presenta las principales conclusiones de la Tesis. En el Apéndice A se muestra el desarrollo teórico del modelo del anfitrión celular. Esta Tesis destaca la importancia de estudiar la carga celular en los sistemas biológicos, ya que estos efectos son muy notables y generan interacciones entre circuitos aparentemente independientes. La Tesis proporciona herramientas para modelar, simular y diseñar circuitos genéticos sintéticos teniendo en cuenta estos efectos de carga y permite el desarrollo de modelos que conecten estos fenómenos en los circuitos genéticos sintéticos, que van desde la dinámica intracelular de la expresión génica hasta la dinámica macroscópica de la población de células dentro del biorreactor. / [CA] Aquesta Tesi tracta del modelat multiescala considerant l'amfitrió ce\lgem ular per a l'anàlisi i ajust de circuits genètics sintètics per a bioproducció. Els objectius principals van ser: 1. El desenvolupament d'un model de grandària reduïda que considere l'amfitrió ce\lgem ular, enfocat al seu ús en simulació i anàlisi. 2. El desenvolupament d'eines de programari per al modelatge i la simulació, orientada a la biologia sintètica. 3. La implementació d'un model multiescala que considere les escales rellevants per a la bioproducció (bioreactor, cè\lgem ula i circuit sintètic). 4. L'anàlisi del controlador antitètic considerant les interacciones cè\lgem ula-circuit, com a exemple d'aplicació de les eines desenvolupades. 5. El desenvolupament i la validació experimental de lleis de control robust per a bioreactors continus. El treball presentat en aquesta Tesi cobreix les tres escales del procés de bioproducció. La primera escala és el bioreactor: aquesta escala considera la dinàmica macroscòpica del substrat i la biomassa, i com aquestes dinàmiques es connecten amb l'estat intern de les cè\lgem ules. La segona escala és la cè\lgem ula amfitriona: aquesta escala considera la dinàmica interna de la cè\lgem ula i la competència pels recursos limitats compartits per a l'expressió de proteïnes. La tercera escala és la del circuit genètic sintètic: aquesta escala considera la dinàmica d'expressió de circuits sintètics exógens i la càrrega que indueixen en la cè\lgem ula amfitriona. Finalment, com a <<quarta>> escala, part de la Tesi s'ha dedicat a desenvolupar eines de programari per al modelatge i la simulació. Aquest document es divideix en set capítols. El Capítol 1 és una introducció general al treball de la Tesi i la seua justificació; també presenta un mapa visual de la Tesi i enumera les principals contribucions. El Capítol 2 mostra el desenvolupament del model de l'amfitrió ce\lgem ular (els Capítols 4 i 5 fan ús d'aquest model per a les seues simulacions). El Capítol 3 presenta OneModel: una eina de programari desenvolupada en la Tesi que facilita el modelatge i la simulació en biologia sintètica, en particular, facilita l'ús del model de l'amfitrió ce\lgem ular. El Capítol 4 utilitza el model de l'amfitrió ce\lgem ular per a muntar el model multiescala que considera el bioreactor i analitza el títol, la productivitat i el rendiment en l'expressió d'una proteïna exògena. El Capítol 5 analitza un circuit més complex, el recentment proposat i molt citat controlador biomolecular antitètic, utilitzant el model de l'amfitrió ce\lgem ular. El Capítol 6 mostra el disseny d'estratègies de control no lineal que permeten controlar la concentració de biomassa en un bioreactor continu de manera robusta. El Capítol 7 resumeix i presenta les principals conclusions de la Tesi. En l'Apèndix A es mostra el desenvolupament teòric del model de l'amfitrió ce\lgem ular. Aquesta Tesi destaca la importància d'estudiar la càrrega ce\lgem ular en els sistemes biològics, ja que aquests efectes són molt notables i generen interaccions entre circuits aparentment independents. La Tesi proporciona eines per a modelar, simular i dissenyar circuits genètics sintètics tenint en compte aquests efectes de càrrega i permet el desenvolupament de models que connecten aquests fenòmens en els circuits genètics sintètics, que van des de la dinàmica intrace\lgem ular de l'expressió gènica fins a la dinàmica macroscòpica de la població de cè\lgem ules dins del bioreactor. / [EN] This Thesis was devoted to the multi-scale host-aware analysis and tuning of synthetic gene circuits for bioproduction. The main objectives were: 1. The development of a reduced-size host-aware model for simulation and analysis purposes. 2. The development of a software toolbox for modeling and simulation, oriented to synthetic biology. 3. The implementation of a multi-scale model that considers the scales relevant to bioproduction (bioreactor, cell, and synthetic circuit). 4. The host-aware analysis of the antithetic controller, as an example of the application of the developed tools. 5. The development and experimental validation of robust control laws for continuous bioreactors. The work presented in this Thesis covers the three scales of the bioproduction process. The first scale is the bioreactor: this scale considers the macroscopic substrate and biomass dynamics and how these dynamics connect to the internal state of the cells. The second scale is the host cell: this scale considers the internal dynamics of the cell and the competition for limited shared resources for protein expression. The third scale is the synthetic genetic circuit: this scale considers the dynamics of expressing exogenous synthetic circuits and the burden they induce on the host cell. Finally, as a <<fourth>> scale, part of the Thesis was devoted to developing software tools for modeling and simulation. This document is divided into seven chapters. Chapter 1 is an overall introduction to the Thesis work and its justification; it also presents a visual map of the Thesis and lists the main contributions. Chapter 2 shows the development of the host-aware model (Chapters 4 and 5 make use of this model for their simulations). Chapter 3 presents OneModel: a software tool developed in the Thesis that facilitates modeling and simulation for synthetic biology---in particular, it facilitates the use of the host-aware model---. Chapter 4 uses the host-aware model to assemble the multi-scale model considering the bioreactor and analyzes the titer, productivity (rate), and yield in expressing an exogenous protein. Chapter 5 analyzes a more complex circuit, the recently proposed and highly cited antithetic biomolecular controller, using the host-aware model. Chapter 6 shows the design of nonlinear control strategies that allow controlling the concentration of biomass in a continuous bioreactor in a robust way. Chapter 7 summarizes and presents the main conclusions of the Thesis. Appendix A shows the theoretical development of the host-aware model. This Thesis emphasizes the importance of studying cell burden in biological systems since these effects are very noticeable and generate interactions between seemingly unconnected circuits. The Thesis provides tools to model, simulate and design synthetic genetic circuits taking into account these burden effects and allowing the development of models that connect phenomena in synthetic genetic circuits, ranging from the intracelullar dynamics of gene expression to the macroscopic dynamics of the population of cells inside the bioreactor. / This research was funded by MCIN/AEI/10.13039/501100011033 grant number PID2020-117271RB-C21, and MINECO/AEI, EU grant number DPI2017-82896- C2-1-R. The author was recipient of the grant “Programa para la Formación de Personal Investigador (FPI) de la Universitat Politècnica de València — Subprograma 1 (PAID-01-2017)”. The author was also a grantee of the predoctoral stay “Ayudas para Movilidad de Estudiantes de Doctorado de la Universitat Politècnica de València 2019”. The Control Theory and Systems Biology Lab of the ETH Zürich is acknowledged for accepting the author in their facilities as predoctoral stay and their valuable collaboration sharing knowledge. / Santos Navarro, FN. (2022). Multi-Scale Host-Aware Modeling for Analysis and Tuning of Synthetic Gene Circuits for Bioproduction [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/183473 / TESIS / Premios Extraordinarios de tesis doctorales

[ES] La biotecnología moderna se basa en la aplicación de una mezcla de herramientas experimentales y computacionales para llevar a cabo de forma dirigida la ingeniería genética. El objetivo es obtener células (re)programadas que implementen nuevas funciones o que sirvan como herramientas para el estudio de sistemas biológicos. En este contexto, el uso de bacterias en biotecnología está muy extendido. Sin embargo, la implementación de circuitos genéticos para el aprovechamiento de estos seres vivos puede verse limitada por procesos biológicos naturales; es decir, los circuitos diseñados (o naturales) pueden verse afectados por el transcurso del tiempo o por cambios en el entorno en el que crecen las bacterias. En esta tesis, nos propusimos seguir un enfoque integrador para estudiar cómo las bacterias responden en el tiempo y el espacio a los cambios genéticos y ambientales, que pueden afectar la funcionalidad de los circuitos de interés biotecnológico. Usamos Escherichia coli como organismo modelo, explotando una variedad de herramientas experimentales para trabajar con él. En primer lugar, estudiamos cómo los cambios ambientales y genéticos afectan la funcionalidad de un circuito genético sintético que implementa un comportamiento lógico sofisticado. Descubrimos que hay amplios rangos de concentración de entrada que el sistema puede procesar correctamente, que el circuito diseñado es bastante sensible a los efectos de la temperatura, que la expresión de pequeños ARN heterólogos es costosa para la célula y que una reorganización genética adecuada del sistema para reducir la cantidad de ADN heterólogo en la célula puede mejorar su estabilidad evolutiva. En segundo lugar, estudiamos el crecimiento bacteriano en entornos en los que existen materiales nanoestructurados. Descubrimos que las poblaciones bacterianas se pueden controlar en gran medida mediante el uso de marcos organometálicos, ya que estos materiales nanoestructurados pueden descomponerse lentamente en medios biológicos liberando agentes antimicrobianos (metales y compuestos orgánicos, incluidos los antibióticos). Analizamos la respuesta bacteriana espaciotemporal siguiendo un enfoque experimental y teórico combinado en un entorno tan complejo y desafiante en medios líquidos y sólidos. Además de las variaciones en el rendimiento debido a cambios ambientales, también se debe considerar que esos circuitos genéticos evolucionarán con el tiempo debido a la acumulación estocástica de mutaciones. Estas mutaciones pueden dar lugar a cambios en la funcionalidad de los circuitos reguladores. Por tanto, en tercer lugar, realizamos un experimento de evolución a largo plazo para estudiar la contribución de un sistema de chaperonas de proteínas en la modulación de la estabilidad evolutiva. En los últimos años, se ha demostrado que los sistemas de chaperonas, como GroES/EL, pueden amortiguar o purgar mutaciones. Realizamos la secuenciación del genoma completo en diferentes líneas con diferentes niveles de expresión de GroEL y también medimos la tasa de crecimiento de las células al principio y al final del experimento evolutivo. Sin embargo, nuestros resultados no fueron concluyentes, por lo que se necesita más investigación para comprender completamente el papel de GroES/EL en la evolución y evaluar su utilidad potencial en biotecnología. En conjunto, esta tesis intenta avanzar en nuestro conocimiento sobre cómo las bacterias, y E. coli en particular, se comportan como se espera cuando el entorno se altera, la fisiología cambia y pasa mucho tiempo, para posibles aplicaciones industriales o (pre)clínicas. / [CA] La biotecnologia moderna es basa en l'aplicació d'una mescla d'eines experimentals i computacionals per a realitzar de forma dirigida l'enginyeria genètica. L'objectiu és obtindre cèl·lules (re)programades que implementen noves funcions o que servisquen com a eines per a l'estudi de sistemes biològics. En aquest context, l'ús de bacteris en biotecnologia està molt estés. No obstant això, la implementació de circuits genètics per a l'aprofitament d'aquests éssers vius pot veure's limitada per processos biològics naturals; és a dir, els circuits dissenyats (o naturals) poden veure's afectats pel transcurs del temps o per canvis en l'entorn en el qual creixen els bacteris. En aquesta tesi, ens vam proposar seguir un enfocament integrador per a estudiar com els bacteris responen en el temps i l'espai als canvis genètics i ambientals, que poden afectar la funcionalitat dels circuits d'interés biotecnològic. Usem Escherichia coli com a organisme model, explotant una varietat d'eines experimentals per a treballar amb ell. En primer lloc, estudiem com els canvis ambientals i genètics afecten la funcionalitat d'un circuit genètic sintètic que implementa un comportament lògic sofisticat. Descobrim que hi ha amplis rangs de concentració d'entrada que el sistema pot processar correctament, que el circuit dissenyat és bastant sensible a l'efecte de la temperatura, que l'expressió de xicotets ARN heteròlegs és costosa per a la cèl·lula i que una reorganització genètica adequada del sistema per a reduir la quantitat d'ADN heteròleg en la cèl·lula pot millorar la seua estabilitat evolutiva. En segon lloc, estudiem el creixement bacterià en entorns en els quals existeixen materials nanoestructurats. Descobrim que les poblacions bacterianes es poden controlar en gran manera mitjançant l'ús de marcs organometàlics, ja que aquests materials nanoestructurats poden descompondre's lentament en medis biològics alliberant agents antimicrobians (metalls i compostos orgànics, inclosos els antibiòtics). Analitzem la resposta bacteriana espai-temporal seguint un enfocament experimental i teòric integrador en un entorn tan complex i desafiador en mitjans líquids i sòlids. A més de les variacions en el rendiment degut a canvis ambientals, també s'ha de considerar que aqueixos circuits genètics evolucionaran amb el temps degut a l'acumulació estocàstica de mutacions. Aquestes mutacions poden donar lloc a canvis en la funcionalitat dels circuits reguladors. Per tant, en tercer lloc, realitzem un experiment d'evolució a llarg termini per a estudiar la contribució d'un sistema de chaperones de proteïnes en la modulació de l'estabilitat evolutiva. En els últims anys, s'ha demostrat que els sistemes de chaperones, com GroES/EL, poden esmorteir o purgar mutacions. Realitzem la seqüenciació del genoma complet en diferents línies amb diferents nivells d'expressió de GroEL i també mesurem la taxa de creixement de les cèl·lules al principi i al final de l'experiment evolutiu. No obstant això, els nostres resultats no van ser concloents, per la qual cosa es necessita més investigació per a comprendre completament el paper de GroES/L en l'evolució i avaluar la seua utilitat potencial en biotecnologia. En conjunt, aquesta tesi intenta avançar en el nostre coneixement sobre com els bacteris, i E. coli en particular, es comporten com s'espera quan l'entorn s'altera, la fisiologia canvia i passa molt temps, per a possibles aplicacions industrials o (pre)clíniques. / [EN] Modern biotechnology is based on applying a mix of experimental and computational tools to perform in a directed way genetic engineering. The aim is to obtain (re)programmed cells that implement new functions or that serve as tools for the study of biological systems. In this context, the use of bacteria in biotechnology is widespread. However, the implementation of genetic circuits for the use of these living beings may be limited due to natural biological processes; that is, the engineered (or natural) circuits may be affected by the course of time or by changes in the environment in which bacteria grow. In this thesis, we proposed to follow an integrative approach to study how bacteria respond in time and space to genetic and environmental changes, which may affect the functionality of the circuits of biotechnological interest. We used Escherichia coli as a model organism, exploiting a variety of experimental tools to work with it. Firstly, we studied how environmental and genetic changes affect the functionality of a synthetic genetic circuit that implements a sophisticated logic behavior. We found that there are wide input concentration ranges that the system can correctly process, that the engineered circuitry is quite sensitive to temperature effects, that the expression of heterologous small RNAs is costly for the cell, and that a proper genetic reorganization of the system to reduce the amount of heterologous DNA in the cell can improve its evolutionary stability. Secondly, we studied of bacterial growth in environments in which there are nanostructured materials. We found that bacterial populations can be greatly controlled through the use of metal-organic frameworks, as these nanostructured materials can slowly decompose in biological media releasing antimicrobials (metals and organic compounds, including antibiotics). We analyzed the spatiotemporal bacterial response following a combined experimental and theoretical approach in a such a complex and challenging environment in both liquid and solid media. In addition to variations in performance due to environmental changes, it must also be considered that those gene circuits will evolve over time due to the stochastic accumulation of mutations. These mutations can lead to changes in the functionality of the regulatory circuits. Then thirdly, we performed an experiment of long-term evolution to study the contribution of a protein chaperone system in modulating evolutionary stability. In recent years, it has been shown that chaperone systems, such as GroES/EL, can buffer or purge mutations. We performed whole-genome sequencing over different lines with varying expression levels of GroEL, and also measured the growth rate of the cells at the beginning and the end of the evolutionary experiment. However, our results were not conclusive, so further research is needed to fully understand the role of GroES/EL in evolution and to assess its potential utility in biotechnology. Taken together, this thesis tries to advance our knowledge on how bacteria, and E. coli in particular, behave as expected when the environment is perturbed, the physiology changes, and long time passes, for potential industrial or (pre)clinical applications. / Montagud Martínez, R. (2023). Study of Spatiotemporal Responses of Bacterial Cells [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/193030