[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

[ES] La biología sintética tiene como objetivo diseñar y construir nuevos sistemas biológicos con funciones deseadas. Los circuitos basados en el control transcripcional han tenido preponderancia en este campo tras el trabajo pionero del toggle switch y del repressilator. Sin embargo, para avanzar en la creación de tecnologías transformadoras que utilicen circuitos genéticos sintéticos, es esencial una combinación de mecanismos de control confiables en todo el flujo de la información genética. Esta combinación es necesaria para alcanzar el nivel de integrabilidad y complejidad funcional observado en la naturaleza. En tal sentido, recientemente han ganado atención los circuitos basados en regulación postranscripcional. En particular, se ha aprovechado la gran programabilidad de ARN para crear circuitos reguladores para la biodetección de señales ambientales o para controlar la vía metabólica en la bioproducción. En esta tesis, por el contrario, proponemos explotar las proteínas de unión a ARN para diseñar circuitos sintéticos que operen a nivel de traducción en la bacteria Escherichia coli. Esta tesis pretende estudiar como surge y se propaga el ruido cuando la expresión genética está regulada por un factor de traducción, y la ampliación de la caja de herramientas de la biología sintética con una nueva caracterización de proteínas de unión a ARN adecuadas. Por un lado, hemos diseñado un circuito de control postrancripcional utilizando la proteína de cápside del fago MS2. Mediante una meticulosa monitorización a nivel unicelular tanto del regulador como del gen regulado, hemos cuantificado el comportamiento dinámico del sistema, así como su estocasticidad. Si bien los esfuerzos anteriores se centraron en comprender la propagación del ruido en las regulaciones transcripcionales, el comportamiento estocástico de los genes regulados a nivel de la traducción sigue siendo en gran medida desconocido. Nuestros datos han revelado que un factor de traducción de proteínas ha permitido una fuerte represión a nivel unicelular, ha amortiguado la propagación del ruido de un gen a otro y ha conducido a una sensibilidad no lineal a las perturbaciones globales en la traducción. Estos descubrimientos han mejorado significativamente nuestra comprensión de la expresión genética estocástica y han proporcionado principios de diseño fundamentales para aplicaciones de biología sintéticas. Por otro lado, aprovechamos el motivo de reconocimiento de ARN (RRM), el dominio proteico de unión a ARN mas prevalente en la naturaleza, a pesar de su predominio en los filos eucariotas, para diseñar un sistema de control postranscripcional ortogonal en Escherichia coli. Aprovechando la proteína de unión a ARN de mamífero Musashi-1, que contiene dos RRM canónicos, desarrollamos un circuito sofisticado. Musashi-1 ha funcionado como represor de la traducción alostérico a través de su interacción especifica con la región codificante N-terminal del ARN mensajero, mostrando capacidad de respuesta a los ácidos grasos. La caracterización integral tanto a nivel poblacional como unicelular ha destacado un cambio significativo en la expresión del reportero. Se obtuvieron conocimientos moleculares a través de la cinética de unión in vitro y evaluaciones de funcionalidad in vivo de una serie de mutantes de ARN. Este trabajo ha mostrado la adaptabilidad de la regulación basada en RRM a organismos mas simples, introduciendo una nueva capa regulatoria para el control de la traducción en procariotas y, en ultima instancia, ampliando los horizontes de la manipulación genética. / [CA] La biologia sintètica té per objectiu dissenyar i construir nous sistemes biològics amb funcions desitjades. Els circuits basats en el control transcripcional han tingut preponderancia en aquest camp després del treball pioner del toggle switch i del repressilator. Tot i això, per avançar en la creació de tecnologies transformadres que utilitzin circuits genètics sintètics, és esencial una combinació de mecanismes de control fiables en tot el flux de la información genètica. Aquesta combinació és necessària per assolir el nivel d'integrabilitat i complexitat funcional observat a la natura. En aquest sentit, recentement han guanyat atenció els circuits basats en regulació posttranscripcional. En particular, s'ha aprofitat la gran programabilitat d'ARN per crear circuits reguladors per a la biodetecció de senyals ambientals o per controlar la via metabólica a la bioproducció. En aquesta tesi, per contra, proposem exlotar les proteïnes d'unió a ARN per dissenyar circuits sintètics que operin a nivel de traducció al bacteri Escherichia coli. Aquesta tesi pretén estudiar com sorgeix i es propaga el soroll quan l'expressió genètica està regulada per un factor de traducció, il'ampliació de la caixa d'eines de la biología sintètica amb una nova caracteriació de proteïnes d'unió a ARN adequades. D'una banda, hem dissenyat un circuit de control postranscripcional utilitzant la proteína de càpsid del fag MS2. Mitjançant una meticulosa monitorització a nivel inucel·lular tant del regulador com del gen regulat, hem quantificat el comportament dinàmic del sistema, així com la seva estocasticitat. Tot i que els esforços anteriors es van centrar a comprendre la propagació del soroll en les regulacions transcripcionals, el comportament estocàstic dels gens regulats a nivell de la traducció continua sent en gran mesura desonegut. Les nostres dades han revelat que un factor de traducció de proteïnes ha permès una forta repressió a nivell unicel·lular, ha esmorteït la propagació del soroll d'un gen a un altre i ha conduït a una sensibilitat no lineal a les pertorbacions globals a la traducció. Aquest descobriments han millorat significativament la nostra comprensió de l'expressió genètica estocástica i han proporcionat principis de sisseny fonamentals per a aplicacions de biología sintètiques. D'altra banda, aprofitem el motiu de reconeixement d'ARN (RRM), el domini proteic d'unió a ARN més prevalent a la natura, malgrat el seu predomini als talls eucariotes, per dissenyar un sistema de control posttranscripcional ortogonal a Escherichia coli. Aprofitant la proteína d'unió a ARN de mamífers Musashi-1, que conté dos RRM canònics, hem desenvolupat un circuit sofisticat. Musashi-1 va funcionar com un repressor de la traducció al·lostèric a través de la seva interacció específica amb la regió codificant N-terminal de l'ARN missatger, mostrant capacitat de resposta als àcids grassos. La caracterització integral tant a nivel poblacional com unicèl·lular va destacar un canvi significatiu a l'expressió de l'informador. S'obtingueren coneixements moleculars a través de la cinètica d'unió in vitro i avaluacions de funcionalitat in vivo d'una sèrie de mutants d'ARN. Aquest treball va mostrar l'adaptabilitat de la regulació basada en RRM a organismos més simples, introduint una nova capa regulatòria per al control de la traducció en procariotes i, en darrer terme, ampliant els horitzons de la manipulació genètica. / [EN] Synthetic biology seeks to design and construct new biological systems with desired functions. Circuits based on transcriptional control have been preponderant in the field following the pioneering work of the toggle switch and repressilator. However, to advance the creation of transformative technologies using synthetic genetic circuits, a blend of dependable control mechanisms throughout the genetic information flow is essential. This combination is necessary to attain the level of integrability and functional complexity observed in nature. In this regard, circuits based on post-transcriptional regulation have recently gained attention. In particular, the great programmability of RNA has been exploited to create regulatory circuits for biosensing of environmental signals or for controlling metabolic pathway in bioproduction. In this thesis, in contrast, we propose to exploit RNA-binding proteins to engineer synthetic circuits that operate at the level of translation in the bacterium Escherichia coli. This thesis intends to study how noise emerges and propagates when gene expression is regulated by a translation factor, and the expansion of the synthetic biology toolbox with new characterization of suitable RNA-binding proteins. On the one hand, we engineered a post-transcriptional control circuit using the phage MS2 coat protein. Through meticulous single-cell level monitoring of both the regulator and the regulated gene, we quantified the dynamic behavior of the system, as well as their stochasticity. While previous efforts focused on understanding noise propagation in transcriptional regulations, the stochastic behavior of genes regulated at the translation level remain largely unknown. Our data revealed that a protein translation factor enabled strong repression at the single-cell level, buffered noise propagation from gene to gene, and led to a nonlinear sensitivity to global perturbations in translation. These findings significantly enhanced our understanding of stochastic gene expression and provided foundational design principles for synthetic biology applications. On the other hand, we harnessed the RNA recognition motif (RRM), the most prevalent RNA-binding domain in nature, despite its predominance in eukaryotic phyla, to engineer an orthogonal post-transcriptional control system in Escherichia coli. Leveraging the mammalian RNA-binding protein Musashi-1, which contains two canonical RRMs, we developed a sophisticated circuit. Musashi-1 functioned as an allosteric translation repressor through its specific interactions with the N-terminal coding region of messenger RNA, exhibiting responsiveness to fatty acids. Comprehensive characterization at both population and single-cell levels highlighted a significant fold change in reporter expression. Molecular insights were gleaned through in vitro binding kinetics and in vivo functionality assessments of a series of RNA mutants. This work showcased the adaptability of RRM-based regulation to simpler organisms, introducing a novel regulatory layer for translation control in prokaryotes, ultimately expanding the horizons of genetic manipulation. / Dolcemascolo, R. (2023). Engineering post-transcriptional regulation of gene expression with RNA-binding proteins [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/202194