Biological computation in yeast

Resumen

Cualquier procedimiento computacional (programa o función) se describe como una relación entre las combinaciones de entradas y su respuesta. Los seres vivos son sistemas dinámicos que mediante redes moleculares captan estímulos del entorno (entradas), procesan esta información, la transmiten y producen la respuesta fisiológica adecuada (salida).Así pues, se habla computación biológica. En el campo de la biología sintética los esfuerzos se han dirigido a construir dispositivos computacionales artificiales conectando las unidades lógicas básicas (puertas lógicas). Estos esfuerzos, están limitados por el llamado "wiring problem": cada conexión entre las unidades lógicas se debe implementar con una molécula diferente. En esta tesis se muestran formas no-estándar de implementar funciones lógicas que reducen el nombre de cables necesarios gracias a un diseño multicelular con una distribución de la salida en diferentes células. Se presenta una implementación experimental usando librerías de levaduras modificadas, en las que cada constructo genético define una función lógica. Con ello se pone de manifiesto el gran potencial que supone la re-utilización de los elementos genéticos para construir diferentes células. Al mismo tiempo, las células se pueden combinar de múltiples maneras permitiendo la fácil construcción de distintos circuitos complejos. En el primer artículo se propone un diseño en múltiples capas. Las levaduras modificadas pueden realizar las lógicas: IDENTITY, NOT, AND y N-IMPLIES y son capaces de comunicarse usando dos conexiones diferentes. En la demostración experimental se han implementado varias puertas lógicas i circuitos más complejos como un sumador de un bit. En el segundo artículo se propone una arquitectura general que define un conjunto celular capaz de implementar cualquier circuito independientemente de su complejidad. Este diseño se basa en células que realizan las lógicas IDENTITY y NOT organizadas en dos capas. El aspecto clave de esta arquitectura es el aislamiento espacial. Con este diseño se han implementado funciones lógicas muy complejas, tales como un multiplexor-4a1, usando una sola molécula de cable. En resumen, ambos diseños presentados en la tesis demuestran que .la computación multicelular con salida distribuida es una poderosa estrategia para construir circuitos sintéticos complejos, abriendo una puerta a la construcción de dispositivos verdaderamente reusables y escalables.