BIOLOGY OF RIBORREGUATION SYNTHETIC SYSTEMS: THERMODYNAMICS, NOISE AND OPERABILITY (Q3169794): Difference between revisions
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BIOLOGIA DEI SISTEMI SINTETICI RIBORREGUATION: TERMODINAMICA, RUMORE E OPERABILITÀ | |||||||||||||||
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IL MATERIALE GENETICO PUÒ ESSERE PROGRAMMATO PER ESPRIMERE SISTEMI CHE RILEVANO, ELABORANO (A SEGUITO DI LOGICOS) E RISPONDONO A (SOTTO FORMA DI ESPRESSIONE GENETICA) DIVERSI SEGNALI MOLECOLARI. LA BIOLOGIA SINTETICA AFFRONTA QUESTO PROBLEMA SEGUENDO I PRINCIPI FONDAMENTALI DELL'INGEGNERIA DEI SISTEMI; CIOÈ, COMBINANDO MODELLI MATEMATICI PER CATTURARE LA DINAMICA DELL'ESPRESSIONE GENICA, ESPERIMENTI PER MONITORARE QUANTITATIVAMENTE LE CARATTERISTICHE DEL SISTEMA (RETRO-FEEDING IL PROCESSO DI PROGETTAZIONE) E LA STANDARDIZZAZIONE DELLE PARTI GENETICHE PER LA COMPOSIZIONE MODULARE. CERTAMENTE, LA PROGETTAZIONE INIZIALE DEL CIRCUITO SI BASA SU MODELLI INCOMPLETI/SEMPLICI DI REGOLAZIONE STABILITI DAI PRECEDENTI SVILUPPI DELLA BIOLOGIA MOLECOLARE E DEI SISTEMI. UNA VOLTA PROGETTATO E CARATTERIZZATO PER LA SUA FUNZIONALITÀ PRINCIPALE, UN CIRCUITO SINTETICO PRESENTA ANCORA PIÙ DOMANDE, DI SOLITO IGNORATE. AD ESEMPIO, I MODELLI UTILIZZATI PER GUIDARE IL DESIGN ABBASTANZA PREDITTIVO?È IL COMPORTAMENTO COERENTE A LIVELLO DI POPOLAZIONE E DI UNA SINGOLA CELLULA?O QUAL È LA STABILITÀ EVOLUTIVA DI UNA COSTRUZIONE SINTETICA IN UN ORGANISMO? CREDIAMO CHE LA RISOLUZIONE DI QUESTE QUESTIONI PORTERÀ A UNA RISINTESI NELLA COMPRENSIONE DELLA FUNZIONE DEL CIRCUITO. IL LAVORO PIONIERISTICO IN BIOLOGIA SINTETICA SI CONCENTRA SULLA REGOLAMENTAZIONE TRASCRIZIONALE, PORTANDO A IMPLEMENTAZIONI GENETICHE DI PORTE LOGICHE, BISTABILI E OSCILLATORI. NEGLI ULTIMI ANNI, PERÒ, RNA È STATA SFRUTTATA PER PROGETTARE PROGRAMMI DI ESPRESSIONE GENICA CHE FUNZIONANO ROBUSTAMENTE IN VIVO, GRAZIE ALLA SUA VERSATILITÀ FUNZIONALE E DESIGNABILITÀ A LIVELLO NUCLEOTIDO. PROVA DI QUESTA IDONEITÀ SONO NUOVI MECCANISMI DI CONTROLLO E CIRCUITI FUNZIONALI CON MOLECOLE QUIMERICAS RNA. IN QUESTO PROGETTO, CI CONCENTREREMO SU RIBORREGULATORS DI INIZIAZIONE DELLA TRADUZIONE, CIOÈ PICCOLE MOLECOLE DI RNA CAPACI DI INTERAGIRE IN MODO MOLTO SPECIFICO CON LA REGIONE 5' NON TRADOTTA DA UN RNA MESSENGER PER REGOLARE L'UNIONE DEI RIBOSOMI. IN PRIMO LUOGO, SVILUPPEREMO UN NUOVO MODELLO TERMODINAMICO DI INTERAZIONI RNA-RNA IN VIVO SEGUENDO UNA DETTAGLIATA DESCRIZIONE ENERGETICA. ADOTTEREMO UNO SCHEMA FUORI EQUILIBRIO E COMBINARE CALCOLI STRUTTURALI CON EQUAZIONI DIFFERENZIALI. QUESTO SARÀ STRUMENTALE PER RICONOSCERE PROCESSI DINAMICI DI PIEGATURA INTERMOLECOLARE CON IMPATTO SULL'ESPRESSIONE. INOLTRE, ANALIZZEREMO IL COMPORTAMENTO STOCASTIC DELLA RIBORREGUATION MONITORANDO L'ESPRESSIONE A LIVELLO DI SINGOLA CELLA. COLLEGHEREMO LE CARATTERISTICHE STRUTTURALI DELL'RNA CON IL GRADO DI VARIABILITÀ TRA LE CELLULE, SVILUPPANDO MODELLI MATEMATICI IN GRADO DI PREVEDERE QUESTI MODELLI. INFINE, STUDIEREMO LA GAMMA DI OPERABILITÀ DI UN CIRCUITO BASATO SU RNA PRECEDENTEMENTE PROGETTATO. USEREMO UN CIRCUITO IN GRADO DI ESEGUIRE OPERAZIONI LOGICHE. PER QUESTO, STUDIEREMO IL COMPORTAMENTO DINAMICO IN DIVERSE CONDIZIONI AMBIENTALI, STUDIEREMO L'IMPATTO SULLA CRESCITA DELL'ESPRESSIONE ETEROLOGA DELL'RNA E ANALIZZEREMO LA STABILITÀ EVOLUTIVA DEL CIRCUITO RENDENDO L'EVOLUZIONE SPERIMENTALE. LA COMPRENSIONE DEL COMPORTAMENTO DINAMICO ESTESO DEI SISTEMI SINTETICI GENETICI IN ULTIMA ANALISI FACILITA LO SVILUPPO DI PRINCIPI DI PROGETTAZIONE IN BIOLOGIA. IN BREVE, L'IMPATTO SULLA SCIENZA DI BASE DELL'RNA E DELLA BIOLOGIA SINTETICA, NONCHÉ LE APPLICAZIONI ATTUALI E FUTURE, RENDONO QUESTA RICERCA MULTIDISCIPLINARE TEMPESTIVA E PERTINENTE. (Italian) | |||||||||||||||
| Property / summary: IL MATERIALE GENETICO PUÒ ESSERE PROGRAMMATO PER ESPRIMERE SISTEMI CHE RILEVANO, ELABORANO (A SEGUITO DI LOGICOS) E RISPONDONO A (SOTTO FORMA DI ESPRESSIONE GENETICA) DIVERSI SEGNALI MOLECOLARI. LA BIOLOGIA SINTETICA AFFRONTA QUESTO PROBLEMA SEGUENDO I PRINCIPI FONDAMENTALI DELL'INGEGNERIA DEI SISTEMI; CIOÈ, COMBINANDO MODELLI MATEMATICI PER CATTURARE LA DINAMICA DELL'ESPRESSIONE GENICA, ESPERIMENTI PER MONITORARE QUANTITATIVAMENTE LE CARATTERISTICHE DEL SISTEMA (RETRO-FEEDING IL PROCESSO DI PROGETTAZIONE) E LA STANDARDIZZAZIONE DELLE PARTI GENETICHE PER LA COMPOSIZIONE MODULARE. CERTAMENTE, LA PROGETTAZIONE INIZIALE DEL CIRCUITO SI BASA SU MODELLI INCOMPLETI/SEMPLICI DI REGOLAZIONE STABILITI DAI PRECEDENTI SVILUPPI DELLA BIOLOGIA MOLECOLARE E DEI SISTEMI. UNA VOLTA PROGETTATO E CARATTERIZZATO PER LA SUA FUNZIONALITÀ PRINCIPALE, UN CIRCUITO SINTETICO PRESENTA ANCORA PIÙ DOMANDE, DI SOLITO IGNORATE. AD ESEMPIO, I MODELLI UTILIZZATI PER GUIDARE IL DESIGN ABBASTANZA PREDITTIVO?È IL COMPORTAMENTO COERENTE A LIVELLO DI POPOLAZIONE E DI UNA SINGOLA CELLULA?O QUAL È LA STABILITÀ EVOLUTIVA DI UNA COSTRUZIONE SINTETICA IN UN ORGANISMO? CREDIAMO CHE LA RISOLUZIONE DI QUESTE QUESTIONI PORTERÀ A UNA RISINTESI NELLA COMPRENSIONE DELLA FUNZIONE DEL CIRCUITO. IL LAVORO PIONIERISTICO IN BIOLOGIA SINTETICA SI CONCENTRA SULLA REGOLAMENTAZIONE TRASCRIZIONALE, PORTANDO A IMPLEMENTAZIONI GENETICHE DI PORTE LOGICHE, BISTABILI E OSCILLATORI. NEGLI ULTIMI ANNI, PERÒ, RNA È STATA SFRUTTATA PER PROGETTARE PROGRAMMI DI ESPRESSIONE GENICA CHE FUNZIONANO ROBUSTAMENTE IN VIVO, GRAZIE ALLA SUA VERSATILITÀ FUNZIONALE E DESIGNABILITÀ A LIVELLO NUCLEOTIDO. PROVA DI QUESTA IDONEITÀ SONO NUOVI MECCANISMI DI CONTROLLO E CIRCUITI FUNZIONALI CON MOLECOLE QUIMERICAS RNA. IN QUESTO PROGETTO, CI CONCENTREREMO SU RIBORREGULATORS DI INIZIAZIONE DELLA TRADUZIONE, CIOÈ PICCOLE MOLECOLE DI RNA CAPACI DI INTERAGIRE IN MODO MOLTO SPECIFICO CON LA REGIONE 5' NON TRADOTTA DA UN RNA MESSENGER PER REGOLARE L'UNIONE DEI RIBOSOMI. IN PRIMO LUOGO, SVILUPPEREMO UN NUOVO MODELLO TERMODINAMICO DI INTERAZIONI RNA-RNA IN VIVO SEGUENDO UNA DETTAGLIATA DESCRIZIONE ENERGETICA. ADOTTEREMO UNO SCHEMA FUORI EQUILIBRIO E COMBINARE CALCOLI STRUTTURALI CON EQUAZIONI DIFFERENZIALI. QUESTO SARÀ STRUMENTALE PER RICONOSCERE PROCESSI DINAMICI DI PIEGATURA INTERMOLECOLARE CON IMPATTO SULL'ESPRESSIONE. INOLTRE, ANALIZZEREMO IL COMPORTAMENTO STOCASTIC DELLA RIBORREGUATION MONITORANDO L'ESPRESSIONE A LIVELLO DI SINGOLA CELLA. COLLEGHEREMO LE CARATTERISTICHE STRUTTURALI DELL'RNA CON IL GRADO DI VARIABILITÀ TRA LE CELLULE, SVILUPPANDO MODELLI MATEMATICI IN GRADO DI PREVEDERE QUESTI MODELLI. INFINE, STUDIEREMO LA GAMMA DI OPERABILITÀ DI UN CIRCUITO BASATO SU RNA PRECEDENTEMENTE PROGETTATO. USEREMO UN CIRCUITO IN GRADO DI ESEGUIRE OPERAZIONI LOGICHE. PER QUESTO, STUDIEREMO IL COMPORTAMENTO DINAMICO IN DIVERSE CONDIZIONI AMBIENTALI, STUDIEREMO L'IMPATTO SULLA CRESCITA DELL'ESPRESSIONE ETEROLOGA DELL'RNA E ANALIZZEREMO LA STABILITÀ EVOLUTIVA DEL CIRCUITO RENDENDO L'EVOLUZIONE SPERIMENTALE. LA COMPRENSIONE DEL COMPORTAMENTO DINAMICO ESTESO DEI SISTEMI SINTETICI GENETICI IN ULTIMA ANALISI FACILITA LO SVILUPPO DI PRINCIPI DI PROGETTAZIONE IN BIOLOGIA. IN BREVE, L'IMPATTO SULLA SCIENZA DI BASE DELL'RNA E DELLA BIOLOGIA SINTETICA, NONCHÉ LE APPLICAZIONI ATTUALI E FUTURE, RENDONO QUESTA RICERCA MULTIDISCIPLINARE TEMPESTIVA E PERTINENTE. (Italian) / rank | |||||||||||||||
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| Property / summary: IL MATERIALE GENETICO PUÒ ESSERE PROGRAMMATO PER ESPRIMERE SISTEMI CHE RILEVANO, ELABORANO (A SEGUITO DI LOGICOS) E RISPONDONO A (SOTTO FORMA DI ESPRESSIONE GENETICA) DIVERSI SEGNALI MOLECOLARI. LA BIOLOGIA SINTETICA AFFRONTA QUESTO PROBLEMA SEGUENDO I PRINCIPI FONDAMENTALI DELL'INGEGNERIA DEI SISTEMI; CIOÈ, COMBINANDO MODELLI MATEMATICI PER CATTURARE LA DINAMICA DELL'ESPRESSIONE GENICA, ESPERIMENTI PER MONITORARE QUANTITATIVAMENTE LE CARATTERISTICHE DEL SISTEMA (RETRO-FEEDING IL PROCESSO DI PROGETTAZIONE) E LA STANDARDIZZAZIONE DELLE PARTI GENETICHE PER LA COMPOSIZIONE MODULARE. CERTAMENTE, LA PROGETTAZIONE INIZIALE DEL CIRCUITO SI BASA SU MODELLI INCOMPLETI/SEMPLICI DI REGOLAZIONE STABILITI DAI PRECEDENTI SVILUPPI DELLA BIOLOGIA MOLECOLARE E DEI SISTEMI. UNA VOLTA PROGETTATO E CARATTERIZZATO PER LA SUA FUNZIONALITÀ PRINCIPALE, UN CIRCUITO SINTETICO PRESENTA ANCORA PIÙ DOMANDE, DI SOLITO IGNORATE. AD ESEMPIO, I MODELLI UTILIZZATI PER GUIDARE IL DESIGN ABBASTANZA PREDITTIVO?È IL COMPORTAMENTO COERENTE A LIVELLO DI POPOLAZIONE E DI UNA SINGOLA CELLULA?O QUAL È LA STABILITÀ EVOLUTIVA DI UNA COSTRUZIONE SINTETICA IN UN ORGANISMO? CREDIAMO CHE LA RISOLUZIONE DI QUESTE QUESTIONI PORTERÀ A UNA RISINTESI NELLA COMPRENSIONE DELLA FUNZIONE DEL CIRCUITO. IL LAVORO PIONIERISTICO IN BIOLOGIA SINTETICA SI CONCENTRA SULLA REGOLAMENTAZIONE TRASCRIZIONALE, PORTANDO A IMPLEMENTAZIONI GENETICHE DI PORTE LOGICHE, BISTABILI E OSCILLATORI. NEGLI ULTIMI ANNI, PERÒ, RNA È STATA SFRUTTATA PER PROGETTARE PROGRAMMI DI ESPRESSIONE GENICA CHE FUNZIONANO ROBUSTAMENTE IN VIVO, GRAZIE ALLA SUA VERSATILITÀ FUNZIONALE E DESIGNABILITÀ A LIVELLO NUCLEOTIDO. PROVA DI QUESTA IDONEITÀ SONO NUOVI MECCANISMI DI CONTROLLO E CIRCUITI FUNZIONALI CON MOLECOLE QUIMERICAS RNA. IN QUESTO PROGETTO, CI CONCENTREREMO SU RIBORREGULATORS DI INIZIAZIONE DELLA TRADUZIONE, CIOÈ PICCOLE MOLECOLE DI RNA CAPACI DI INTERAGIRE IN MODO MOLTO SPECIFICO CON LA REGIONE 5' NON TRADOTTA DA UN RNA MESSENGER PER REGOLARE L'UNIONE DEI RIBOSOMI. IN PRIMO LUOGO, SVILUPPEREMO UN NUOVO MODELLO TERMODINAMICO DI INTERAZIONI RNA-RNA IN VIVO SEGUENDO UNA DETTAGLIATA DESCRIZIONE ENERGETICA. ADOTTEREMO UNO SCHEMA FUORI EQUILIBRIO E COMBINARE CALCOLI STRUTTURALI CON EQUAZIONI DIFFERENZIALI. QUESTO SARÀ STRUMENTALE PER RICONOSCERE PROCESSI DINAMICI DI PIEGATURA INTERMOLECOLARE CON IMPATTO SULL'ESPRESSIONE. INOLTRE, ANALIZZEREMO IL COMPORTAMENTO STOCASTIC DELLA RIBORREGUATION MONITORANDO L'ESPRESSIONE A LIVELLO DI SINGOLA CELLA. COLLEGHEREMO LE CARATTERISTICHE STRUTTURALI DELL'RNA CON IL GRADO DI VARIABILITÀ TRA LE CELLULE, SVILUPPANDO MODELLI MATEMATICI IN GRADO DI PREVEDERE QUESTI MODELLI. INFINE, STUDIEREMO LA GAMMA DI OPERABILITÀ DI UN CIRCUITO BASATO SU RNA PRECEDENTEMENTE PROGETTATO. USEREMO UN CIRCUITO IN GRADO DI ESEGUIRE OPERAZIONI LOGICHE. PER QUESTO, STUDIEREMO IL COMPORTAMENTO DINAMICO IN DIVERSE CONDIZIONI AMBIENTALI, STUDIEREMO L'IMPATTO SULLA CRESCITA DELL'ESPRESSIONE ETEROLOGA DELL'RNA E ANALIZZEREMO LA STABILITÀ EVOLUTIVA DEL CIRCUITO RENDENDO L'EVOLUZIONE SPERIMENTALE. LA COMPRENSIONE DEL COMPORTAMENTO DINAMICO ESTESO DEI SISTEMI SINTETICI GENETICI IN ULTIMA ANALISI FACILITA LO SVILUPPO DI PRINCIPI DI PROGETTAZIONE IN BIOLOGIA. IN BREVE, L'IMPATTO SULLA SCIENZA DI BASE DELL'RNA E DELLA BIOLOGIA SINTETICA, NONCHÉ LE APPLICAZIONI ATTUALI E FUTURE, RENDONO QUESTA RICERCA MULTIDISCIPLINARE TEMPESTIVA E PERTINENTE. (Italian) / qualifier | |||||||||||||||
point in time: 16 January 2022
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Revision as of 13:56, 16 January 2022
Project Q3169794 in Spain
| Language | Label | Description | Also known as |
|---|---|---|---|
| English | BIOLOGY OF RIBORREGUATION SYNTHETIC SYSTEMS: THERMODYNAMICS, NOISE AND OPERABILITY |
Project Q3169794 in Spain |
Statements
105,875.0 Euro
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211,750.0 Euro
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50.0 percent
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1 January 2019
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31 December 2021
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AGENCIA CONSEJO SUPERIOR DE INVESTIGACIONES CIENTIFICAS
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39°30'14.11"N, 0°26'31.56"W
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46190
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EL MATERIAL GENETICO PUEDE SER PROGRAMADO PARA EXPRESAR SISTEMAS QUE DETECTEN, PROCESEN (SIGUIENDO CALCULOS LOGICOS) Y RESPONDAN A (EN FORMA DE EXPRESION GENICA) DIFERENTES SEÑALES MOLECULARES. LA BIOLOGIA SINTETICA ENCARA ESTO SIGUIENDO PRINCIPIOS FUNDAMENTALES DE INGENIERIA DE SISTEMAS; ES DECIR, MEDIANTE LA COMBINACION DE MODELOS MATEMATICOS PARA CAPTURAR LA DINAMICA DE EXPRESION GENICA, EXPERIMENTOS PARA MONITORIZAR DE MANERA CUANTITATIVA LAS CARACTERISTICAS DEL SISTEMA (RETROALIMENTANDO EL PROCESO DE DISEÑO) Y LA ESTANDARIZACION DE PARTES GENETICAS PARA COMPOSICION MODULAR. CIERTAMENTE, EL DISEÑO INICIAL DE CIRCUITOS SE BASA EN MODELOS DE REGULACION INCOMPLETOS/SIMPLISTAS ESTABLECIDOS POR DESARROLLOS PREVIOS DE BIOLOGIA MOLECULAR Y DE SISTEMAS. UNA VEZ DISEÑADO Y CARACTERIZADO PARA SU FUNCIONALIDAD PRINCIPAL, UN CIRCUITO SINTETICO AUN PRESENTA MULTIPLES INTERROGANTES, GENERALMENTE IGNORADOS. POR EJEMPLO, ¿LOS MODELOS UTILIZADOS PARA GUIAR EL DISEÑO SON LO SUFICIENTEMENTE PREDICTIVOS?, ¿EL COMPORTAMIENTO ES CONSISTENTE A NIVEL DE POBLACION Y DE UNA UNICA CELULA?, O ¿CUAL ES LA ESTABILIDAD EVOLUTIVA DE UNA CONSTRUCCION SINTETICA EN UN ORGANISMO? CREEMOS QUE LA RESOLUCION DE ESTAS PREGUNTAS CONDUCIRA A UNA RESINTESIS EN LA COMPRENSION DE LA FUNCION DEL CIRCUITO. TRABAJO PIONERO EN BIOLOGIA SINTETICA SE CENTRO EN LA REGULACION TRANSCRIPCIONAL, LO QUE LLEVO A IMPLEMENTACIONES GENETICAS DE PUERTAS LOGICAS, BIESTABLES Y OSCILADORES. EN LOS ULTIMOS AÑOS, SIN EMBARGO, EL ARN SE HA EXPLOTADO PARA DISEÑAR PROGRAMAS DE EXPRESION GENICA QUE SE EJECUTAN DE FORMA ROBUSTA IN VIVO, GRACIAS A SU VERSATILIDAD FUNCIONAL Y DISEÑABILIDAD A NIVEL DE NUCLEOTIDO. PRUEBA DE ESTA IDONEIDAD SON NUEVOS MECANISMOS DE CONTROL Y CIRCUITOS FUNCIONALES CON MOLECULAS DE ARN QUIMERICAS. EN ESTE PROYECTO, NOS CENTRAREMOS EN RIBORREGULADORES DE INICIACION DE LA TRADUCCION, ES DECIR, PEQUEÑAS MOLECULAS DE ARN CAPACES DE INTERACTUAR DE FORMA MUY ESPECIFICA CON LA REGION 5' NO TRADUCIDA DE UN ARN MENSAJERO PARA REGULAR LA UNION DE RIBOSOMAS. EN PRIMER LUGAR, DESARROLLAREMOS UN NUEVO MODELO TERMODINAMICO DE LAS INTERACCIONES ARN-ARN IN VIVO SIGUIENDO UNA DESCRIPCION ENERGETICA DETALLADA. ADOPTAREMOS UN ESQUEMA FUERA DEL EQUILIBRIO Y COMBINAREMOS CALCULOS ESTRUCTURALES CON ECUACIONES DIFERENCIALES. ESTO SERA INSTRUMENTAL PARA RECONOCER PROCESOS DINAMICOS DE REPLEGAMIENTO INTERMOLECULAR CON IMPACTO EN EXPRESION. ADEMAS, ANALIZAREMOS EL COMPORTAMIENTO ESTOCASTICO DE LA RIBORREGULACION MEDIANTE LA MONITORIZACION DE LA EXPRESION A NIVEL DE CELULA UNICA. VINCULAREMOS LAS CARACTERISTICAS ESTRUCTURALES DEL ARN CON EL GRADO DE VARIABILIDAD ENTRE CELULAS, DESARROLLANDO MODELOS MATEMATICOS CAPACES DE PREDECIR DICHOS PATRONES. FINALMENTE, ESTUDIAREMOS EL RANGO DE OPERABILIDAD DE UN CIRCUITO BASADO EN ARN PREVIAMENTE DISEÑADO. UTILIZAREMOS UN CIRCUITO CAPAZ DE REALIZAR OPERACIONES LOGICAS. PARA ESO, ESTUDIAREMOS EL COMPORTAMIENTO DINAMICO EN DIFERENTES CONDICIONES AMBIENTALES, ESTUDIAREMOS EL IMPACTO SOBRE EL CRECIMIENTO DE LA EXPRESION HETEROLOGA DE ARN Y ANALIZAREMOS LA ESTABILIDAD EVOLUTIVA DEL CIRCUITO REALIZANDO EVOLUCION EXPERIMENTAL. LA COMPRENSION DEL COMPORTAMIENTO DINAMICO EXTENDIDO DE SISTEMAS GENETICOS SINTETICOS FACILITA EN ULTIMA INSTANCIA EL DESARROLLO DE PRINCIPIOS DE DISEÑO EN BIOLOGIA. EN SUMA, EL IMPACTO EN CIENCIA BASICA DE ARN Y BIOLOGIA SINTETICA, ASI COMO LAS APLICACIONES ACTUALES Y EN PERSPECTIVA, HACEN ESTA INVESTIGACION MULTIDISCIPLINAR OPORTUNA Y PERTINENTE. (Spanish)
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GENETIC MATERIAL CAN BE PROGRAMMED TO EXPRESS SYSTEMS THAT SENSE, PROCESS (FOLLOWING LOGIC CALCULATIONS) AND RESPOND TO (IN THE FORM OF GENE EXPRESSION) DIFFERENT MOLECULAR SIGNALS. SYNTHETIC BIOLOGY AIMS AT APPROACHING THIS BY FOLLOWING FUNDAMENTAL SYSTEMS ENGINEERING PRINCIPLES, THAT IS, THROUGH THE COMBINATION OF MATHEMATICAL MODELING TO CAPTURE GENE EXPRESSION DYNAMICS, EXPERIMENTS TO MONITOR IN A QUANTITATIVE WAY THE FEATURES OF THE SYSTEM TO FEEDBACK THE DESIGN PROCESS, AND GENETIC PART STANDARDIZATION FOR MODULAR COMPOSABILITY. CERTAINLY, INITIAL CIRCUIT DESIGN RELIES ON INCOMPLETE OR SIMPLISTIC MODELS OF REGULATION ESTABLISHED BY PREVIOUS MOLECULAR AND SYSTEMS BIOLOGY DEVELOPMENTS. ONCE DESIGNED AND CHARACTERIZED FOR ITS MAIN FUNCTIONALITY, A SYNTHETIC CIRCUIT STILL PRESENTS MULTIPLE QUERIES, USUALLY OVERLOOKED. FOR EXAMPLE, ARE THE MODELS USED TO GUIDE THE DESIGN PREDICTIVE ENOUGH?, IS THE BEHAVIOR CONSISTENT AT THE POPULATION AND SINGLE CELL LEVELS?, OR WHAT IS THE EVOLUTIONARY STABILITY OF A SYNTHETIC CONSTRUCT IN A LIVING ORGANISM? WE BELIEVE THAT THE PROPER RESOLUTION OF THESE QUESTIONS WILL LEAD TO A RESYNTHESIS IN THE UNDERSTANDING OF CIRCUIT FUNCTION. PIONEER WORK IN SYNTHETIC BIOLOGY RESTED ON THE MANIPULATION OF THE LAYER OF TRANSCRIPTIONAL REGULATION, LEADING TO GENETIC IMPLEMENTATIONS OF LOGIC GATES, TOGGLE SWITCHES, AND OSCILLATORS. IN RECENT YEARS, HOWEVER, RNA HAS BEEN EXPLOITED AS AN IDEAL SUBSTRATE TO ENGINEER GENE EXPRESSION PROGRAMS THAT ROBUSTLY RUN IN VIVO, THANKS TO ITS FUNCTIONAL VERSATILITY AND MODEL-BASED DESIGNABILITY AT THE NUCLEOTIDE LEVEL. PROOF OF THIS SUITABILITY ARE NOVEL MECHANISMS OF GENE EXPRESSION CONTROL WITH CHIMERIC RNA MOLECULES AND INCREASINGLY COMPLEX FUNCTIONAL CIRCUITS ENGINEERED WITH REGULATORY RNAS. IN THIS PROJECT, WE WILL FOCUS ON RIBOREGULATORS OF TRANSLATION INITIATION, THAT IS, SMALL RNA MOLECULES ABLE TO INTERACT IN A VERY SPECIFIC MANNER WITH THE 5' UNTRANSLATED REGION OF A MESSENGER RNA TO REGULATE RIBOSOME BINDING. IN FIRST PLACE, WE WILL DEVELOP A NOVEL THERMODYNAMIC MODEL OF RNA-RNA INTERACTIONS IN VIVO BY FOLLOWING A DETAILED DESCRIPTION OF THE CORRESPONDING ENGERGY LANDSCAPE. WE WILL ADOPT A NON-EQUILIBRIUM SCHEME AND WE WILL COMBINE STRUCTURAL CALCULATIONS WITH DIFFERENTIAL EQUATIONS. THIS WILL BE INSTRUMENTAL TO RECOGNIZE DYNAMIC PROCESSES OF INTERMOLECULAR REFOLDING WITH IMPACT ON GENE EXPRESSION. IN ADDITION, WE WILL ANALYZE THE STOCHASTIC BEHAVIOR OF RIBOREGULATION BY MONITORING GENE EXPRESSION AT SINGLE CELL RESOLUTION. WE WILL LINK RNA STRUCTURAL FEATURES WITH THE EXTENT OF CELL-TO-CELL VARIABILITY, DEVELOPING MATHEMATICAL MODELS ABLE TO PREDICT SUCH PATTERNS. FINALLY, WE WILL STUDY THE OPERABILITY RANGE OF A PREVIOUSLY ENGINEERED RNA-BASED CIRCUIT. WE WILL USE A CIRCUIT ABLE TO PERFORM LOGIC OPERATIONS. FOR THAT, WE WILL STUDY THE DYNAMIC BEHAVIOR IN DIFFERENT ENVIRONMENTAL CONDITIONS, STUDY THE IMPACT ON GROWTH RATE OF HETEROLOGOUS RNA EXPRESSION, AND ANALYZE THE EVOLUTIONARY STABILITY OF THE CIRCUIT BY PERFORMING EXPERIMENTAL EVOLUTION THROUGH PARALLEL SERIAL DILUTIONS. THE FULL UNDERSTANDING OF THE EXTENDED DYNAMIC BEHAVIOR OF ENGINEERED GENETIC SYSTEMS ULTIMATELY FACILITATES THE DEVELOPMENT OF DESIGN PRINCIPLES TO MAKE BIOLOGY MORE PREDICTABLE AND DESIGNABLE. IN SUM, THE IMPACT ON BASIC RNA SCIENCE AND SYNTHETIC BIOLOGY, AS WELL AS THE CURRENT AND PERSPECTIVE APPLICATIONS, MAKE THIS MULTIDISCIPLINARY INVESTIGATION TIMELY AND RELEVANT. (English)
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LE MATÉRIEL GÉNÉTIQUE PEUT ÊTRE PROGRAMMÉ POUR EXPRIMER DES SYSTÈMES QUI DÉTECTENT, TRAITENT (APRÈS LOGICOS) ET RÉPONDENT (SOUS LA FORME D’UNE EXPRESSION GÉNIQUE) DIFFÉRENTS SIGNAUX MOLÉCULAIRES. LA BIOLOGIE SYNTHÉTIQUE S’ATTAQUE À CE PROBLÈME EN SUIVANT LES PRINCIPES FONDAMENTAUX DE L’INGÉNIERIE DES SYSTÈMES; C’EST-À-DIRE EN COMBINANT DES MODÈLES MATHÉMATIQUES POUR CAPTURER LA DYNAMIQUE DE L’EXPRESSION GÉNIQUE, DES EXPÉRIENCES POUR SURVEILLER QUANTITATIVEMENT LES CARACTÉRISTIQUES DU SYSTÈME (RETRO-ALIMENTER LE PROCESSUS DE CONCEPTION) ET LA NORMALISATION DES PIÈCES GÉNÉTIQUES POUR LA COMPOSITION MODULAIRE. CERTES, LA CONCEPTION INITIALE DU CIRCUIT EST BASÉE SUR DES MODÈLES DE RÉGULATION INCOMPLETS/SIMPLISTES ÉTABLIS PAR LES DÉVELOPPEMENTS ANTÉRIEURS DE LA BIOLOGIE MOLÉCULAIRE ET DES SYSTÈMES. UNE FOIS CONÇU ET CARACTÉRISÉ POUR SA FONCTIONNALITÉ PRINCIPALE, UN CIRCUIT SYNTHÉTIQUE PRÉSENTE ENCORE DE MULTIPLES QUESTIONS, GÉNÉRALEMENT IGNORÉES. PAR EXEMPLE, LES MODÈLES UTILISÉS POUR GUIDER LA CONCEPTION PRÉDICTIVE SONT-ILS SUFFISAMMENT COHÉRENTS AU NIVEAU DE LA POPULATION ET D’UNE SEULE CELLULE?OU QUELLE EST LA STABILITÉ ÉVOLUTIVE D’UNE CONSTRUCTION SYNTHÉTIQUE DANS UN ORGANISME? NOUS PENSONS QUE LA RÉSOLUTION DE CES QUESTIONS CONDUIRA À UNE RÉSYNTHÈSE DANS LA COMPRÉHENSION DE LA FONCTION DU CIRCUIT. LES TRAVAUX PIONNIERS EN BIOLOGIE SYNTHÉTIQUE SE CONCENTRENT SUR LA RÉGULATION TRANSCRIPTIONNELLE, CONDUISANT À DES IMPLÉMENTATIONS GÉNÉTIQUES DE PORTES LOGIQUES, DE BI-STABLES ET D’OSCILLATEURS. AU COURS DES DERNIÈRES ANNÉES, CEPENDANT, L’ARN A ÉTÉ EXPLOITÉ POUR CONCEVOIR DES PROGRAMMES D’EXPRESSION GÉNIQUE QUI FONCTIONNENT SOLIDEMENT IN VIVO, GRÂCE À SA POLYVALENCE FONCTIONNELLE ET SA DESIGNABILITÉ AU NIVEAU NUCLEOTIDO. LA PREUVE DE CETTE ADÉQUATION SONT DE NOUVEAUX MÉCANISMES DE CONTRÔLE ET DE NOUVEAUX CIRCUITS FONCTIONNELS AVEC DES MOLÉCULES D’ARN QUIMERICAS. DANS CE PROJET, NOUS NOUS CONCENTRERONS SUR LES RIBORREGULATEURS D’INITIATION DE LA TRADUCTION, C’EST-À-DIRE DE PETITES MOLÉCULES D’ARN CAPABLES D’INTERAGIR DE MANIÈRE TRÈS SPÉCIFIQUE AVEC LA RÉGION 5' NON TRADUITE D’UN ARN MESSAGER POUR RÉGULER L’UNION DES RIBOSOMES. TOUT D’ABORD, NOUS ALLONS DÉVELOPPER UN NOUVEAU MODÈLE THERMODYNAMIQUE DES INTERACTIONS ARN-ARN IN VIVO À LA SUITE D’UNE DESCRIPTION ÉNERGÉTIQUE DÉTAILLÉE. NOUS ADOPTERONS UN SCHÉMA DE DÉSÉQUILIBRE ET COMBINERONS DES CALCULS STRUCTURELS AVEC DES ÉQUATIONS DIFFÉRENTIELLES. CELA SERA UTILE POUR RECONNAÎTRE LES PROCESSUS DYNAMIQUES DE PLIAGE INTERMOLÉCULAIRE AYANT UN IMPACT SUR L’EXPRESSION. EN OUTRE, NOUS ALLONS ANALYSER LE COMPORTEMENT STOCASTIC DE RIBORREGUATION EN SURVEILLANT L’EXPRESSION AU NIVEAU DE LA CELLULE UNIQUE. NOUS ÉTABLIRONS UN LIEN ENTRE LES CARACTÉRISTIQUES STRUCTURELLES DE L’ARN ET LE DEGRÉ DE VARIABILITÉ ENTRE LES CELLULES, EN DÉVELOPPANT DES MODÈLES MATHÉMATIQUES CAPABLES DE PRÉDIRE CES MODÈLES. ENFIN, NOUS ÉTUDIERONS LA PLAGE D’OPÉRABILITÉ D’UN CIRCUIT BASÉ SUR L’ARN PRÉCÉDEMMENT CONÇU. NOUS UTILISERONS UN CIRCUIT CAPABLE D’EFFECTUER DES OPÉRATIONS LOGIQUES. POUR CELA, NOUS ÉTUDIERONS LE COMPORTEMENT DYNAMIQUE DANS DIFFÉRENTES CONDITIONS ENVIRONNEMENTALES, ÉTUDIERONS L’IMPACT SUR LA CROISSANCE DE L’EXPRESSION HÉTÉROLOGUE DE L’ARN ET ANALYSERONS LA STABILITÉ ÉVOLUTIVE DU CIRCUIT FAISANT L’ÉVOLUTION EXPÉRIMENTALE. LA COMPRÉHENSION DU COMPORTEMENT DYNAMIQUE ÉTENDU DES SYSTÈMES GÉNÉTIQUES SYNTHÉTIQUES FACILITE FINALEMENT LE DÉVELOPPEMENT DES PRINCIPES DE CONCEPTION EN BIOLOGIE. EN RÉSUMÉ, L’IMPACT SUR LA SCIENCE FONDAMENTALE DE L’ARN ET DE LA BIOLOGIE SYNTHÉTIQUE, AINSI QUE SUR LES APPLICATIONS ACTUELLES ET FUTURES, REND CETTE RECHERCHE MULTIDISCIPLINAIRE OPPORTUNE ET PERTINENTE. (French)
4 December 2021
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GENETISCHES MATERIAL KANN PROGRAMMIERT WERDEN, UM SYSTEME AUSZUDRÜCKEN, DIE (NACH LOGICOS) ERKENNEN, VERARBEITEN UND AUF VERSCHIEDENE MOLEKULARE SIGNALE (IN FORM EINER GENEXPRESSION) REAGIEREN. DIE SYNTHETISCHE BIOLOGIE BEFASST SICH MIT DEN GRUNDPRINZIPIEN DER SYSTEMTECHNIK; DAS HEISST, INDEM MATHEMATISCHE MODELLE KOMBINIERT WERDEN, UM DIE DYNAMIK DER GENEXPRESSION ZU ERFASSEN, EXPERIMENTE, UM DIE EIGENSCHAFTEN DES SYSTEMS QUANTITATIV ZU ÜBERWACHEN (RETRO-FEDEDING THE DESIGN PROCESS) UND DIE STANDARDISIERUNG GENETISCHER TEILE FÜR DIE MODULARE ZUSAMMENSETZUNG. SICHERLICH BASIERT DIE URSPRÜNGLICHE SCHALTUNGSGESTALTUNG AUF UNVOLLSTÄNDIGEN/VEREINFACHTEN REGULIERUNGSMODELLEN, DIE DURCH FRÜHERE ENTWICKLUNGEN DER MOLEKULARBIOLOGIE UND -SYSTEME GESCHAFFEN WURDEN. EINMAL ENTWORFEN UND CHARAKTERISIERT FÜR SEINE HAUPTFUNKTIONALITÄT, STELLT EINE SYNTHETISCHE SCHALTUNG IMMER NOCH MEHRERE FRAGEN, IN DER REGEL IGNORIERT. SIND ZUM BEISPIEL DIE MODELLE VERWENDET, UM DAS DESIGN PRÄDIKTIV GENUG?IST VERHALTEN AUF BEVÖLKERUNGSEBENE UND EINER EINZELNEN ZELLE KONSISTENT?ODER WAS IST DIE EVOLUTIONÄRE STABILITÄT EINER SYNTHETISCHEN KONSTRUKTION IN EINEM ORGANISMUS? WIR GLAUBEN, DASS DIE LÖSUNG DIESER FRAGEN ZU EINER RESYNTHESE FÜHREN WIRD, UM DIE FUNKTION DES KREISLAUFS ZU VERSTEHEN. PIONIERARBEIT IN DER SYNTHETISCHEN BIOLOGIE KONZENTRIERT SICH AUF DIE TRANSKRIPTIONSREGULIERUNG, WAS ZU GENETISCHEN UMSETZUNGEN VON LOGIKTÜREN, BISTABILEN UND OSZILLATOREN FÜHRT. IN DEN LETZTEN JAHREN WURDE RNA JEDOCH AUSGENUTZT, UM GENGENE EXPRESSIONSPROGRAMME ZU ENTWERFEN, DIE DANK IHRER FUNKTIONALEN VIELSEITIGKEIT UND DESIGNIERBARKEIT AUF NUCLEOTIDO-EBENE ROBUST IN VIVO LAUFEN. DER NACHWEIS DIESER EIGNUNG SIND NEUE STEUERUNGSMECHANISMEN UND FUNKTIONSKREISE MIT QUIMERICAS RNA-MOLEKÜLEN. IN DIESEM PROJEKT WERDEN WIR UNS AUF RIBORREGULATOREN DER EINLEITUNG DER ÜBERSETZUNG KONZENTRIEREN, D. H. KLEINE MOLEKÜLE VON RNA, DIE IN DER LAGE SIND, AUF GANZ SPEZIFISCHE WEISE MIT DER REGION 5' ZU INTERAGIEREN, DIE NICHT VON EINEM MESSENGER RNA ÜBERSETZT WIRD, UM DIE UNION DER RIBOSOMEN ZU REGULIEREN. ZUNÄCHST WERDEN WIR NACH EINER DETAILLIERTEN ENERGETISCHEN BESCHREIBUNG EIN NEUES THERMODYNAMISCHES MODELL VON IN VIVO RNA-RNA-INTERAKTIONEN ENTWICKELN. WIR WERDEN EIN OUT-OF-BALANCE-SYSTEM ANNEHMEN UND STRUKTURELLE BERECHNUNGEN MIT DIFFERENTIALGLEICHUNGEN KOMBINIEREN. DIES WIRD ENTSCHEIDEND SEIN, UM DYNAMISCHE PROZESSE DER INTERMOLEKULAREN FALTUNG MIT AUSWIRKUNGEN AUF DEN AUSDRUCK ZU ERKENNEN. DARÜBER HINAUS WERDEN WIR DAS STOCASTIC-VERHALTEN VON RIBORREGUATION ANALYSIEREN, INDEM WIR DEN AUSDRUCK AUF DER EBENE EINER EINZELNEN ZELLE ÜBERWACHEN. WIR WERDEN DIE STRUKTURELLEN EIGENSCHAFTEN VON RNA MIT DEM GRAD DER VARIABILITÄT ZWISCHEN DEN ZELLEN VERBINDEN, INDEM WIR MATHEMATISCHE MODELLE ENTWICKELN, DIE DIESE MUSTER VORHERSAGEN KÖNNEN. SCHLIESSLICH WERDEN WIR DEN FUNKTIONSUMFANG EINES ZUVOR ENTWICKELTEN RNA-BASIERTEN SCHALTKREISES UNTERSUCHEN. WIR WERDEN EINE SCHALTUNG VERWENDEN, DIE IN DER LAGE IST, LOGISCHE OPERATIONEN DURCHZUFÜHREN. DAZU WERDEN WIR DAS DYNAMISCHE VERHALTEN UNTER VERSCHIEDENEN UMWELTBEDINGUNGEN UNTERSUCHEN, DIE AUSWIRKUNGEN AUF DAS WACHSTUM VON RNA HETEROLOGER EXPRESSION UNTERSUCHEN UND DIE EVOLUTIONÄRE STABILITÄT DER SCHALTUNG ANALYSIEREN, DIE EXPERIMENTELLE EVOLUTION MACHT. DAS VERSTÄNDNIS DES ERWEITERTEN DYNAMISCHEN VERHALTENS GENETISCHER SYNTHETISCHER SYSTEME ERLEICHTERT LETZTLICH DIE ENTWICKLUNG VON DESIGNPRINZIPIEN IN DER BIOLOGIE. KURZ GESAGT, DIE AUSWIRKUNGEN AUF DIE GRUNDLAGENWISSENSCHAFT DER RNA UND DER SYNTHETISCHEN BIOLOGIE SOWIE AUF AKTUELLE UND PROSPEKTIVE ANWENDUNGEN MACHEN DIESE MULTIDISZIPLINÄRE FORSCHUNG ZEITGERECHT UND RELEVANT. (German)
9 December 2021
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GENETISCH MATERIAAL KAN WORDEN GEPROGRAMMEERD OM SYSTEMEN UIT TE DRUKKEN DIE VERSCHILLENDE MOLECULAIRE SIGNALEN DETECTEREN, VERWERKEN (NA LOGICOS) EN REAGEREN OP (IN DE VORM VAN EEN GENIC EXPRESSIE) VERSCHILLENDE MOLECULAIRE SIGNALEN. SYNTHETISCHE BIOLOGIE BEHANDELT DIT DOOR DE FUNDAMENTELE BEGINSELEN VAN SYSTEEMENGINEERING TE VOLGEN; DAT WIL ZEGGEN, DOOR WISKUNDIGE MODELLEN TE COMBINEREN OM DE DYNAMIEK VAN GENIC EXPRESSIE VAST TE LEGGEN, EXPERIMENTEN OM DE KENMERKEN VAN HET SYSTEEM KWANTITATIEF TE MONITOREN (RETRO-FEEDING VAN HET ONTWERPPROCES) EN DE STANDAARDISATIE VAN GENETISCHE ONDERDELEN VOOR MODULAIRE SAMENSTELLING. ZEKER, HET OORSPRONKELIJKE CIRCUITONTWERP IS GEBASEERD OP ONVOLLEDIGE/SIMPLISTISCHE REGELGEVINGSMODELLEN DIE ZIJN VASTGESTELD DOOR EERDERE ONTWIKKELINGEN OP HET GEBIED VAN MOLECULAIRE BIOLOGIE EN SYSTEMEN. EENMAAL ONTWORPEN EN GEKENMERKT VOOR DE BELANGRIJKSTE FUNCTIONALITEIT, EEN SYNTHETISCH CIRCUIT PRESENTEERT NOG STEEDS MEERDERE VRAGEN, MEESTAL GENEGEERD. BIJVOORBEELD, WORDEN DE MODELLEN GEBRUIKT OM HET ONTWERP VOORSPELLEND GENOEG TE BEGELEIDEN?IS GEDRAG CONSISTENT OP POPULATIENIVEAU EN VAN EEN ENKELE CEL?OF WAT IS DE EVOLUTIONAIRE STABILITEIT VAN EEN SYNTHETISCHE CONSTRUCTIE IN EEN ORGANISME? WIJ GELOVEN DAT DE OPLOSSING VAN DEZE VRAGEN ZAL LEIDEN TOT EEN HERSYNTHESE IN HET BEGRIJPEN VAN DE FUNCTIE VAN HET CIRCUIT. BAANBREKEND WERK IN SYNTHETISCHE BIOLOGIE RICHT ZICH OP TRANSCRIPTIONELE REGELGEVING, WAT LEIDT TOT GENETISCHE IMPLEMENTATIES VAN LOGISCHE DEUREN, BI-STABLES EN OSCILLATOREN. IN DE AFGELOPEN JAREN IS RNA ECHTER UITGEBUIT OM GENIC EXPRESSIEPROGRAMMA’S TE ONTWERPEN DIE ROBUUST IN VIVO DRAAIEN, DANKZIJ DE FUNCTIONELE VEELZIJDIGHEID EN ONTWERPBAARHEID OP NUCLEOTIDO-NIVEAU. HET BEWIJS VAN DEZE GESCHIKTHEID ZIJN NIEUWE CONTROLEMECHANISMEN EN FUNCTIONELE KRINGEN MET QUIMERICAS RNA MOLECULEN. IN DIT PROJECT ZULLEN WE ONS RICHTEN OP RIBORREGULATORS VAN INITIATIE VAN DE VERTALING, DAT WIL ZEGGEN KLEINE MOLECULEN VAN RNA DIE IN STAAT ZIJN OM OP EEN ZEER SPECIFIEKE MANIER TE INTERAGEREN MET DE REGIO 5' NIET VERTAALD VANUIT EEN MESSENGER RNA OM DE UNIE VAN RIBOSOMEN TE REGULEREN. EERST ZULLEN WE EEN NIEUW THERMODYNAMISCH MODEL VAN IN VIVO RNA-RNA INTERACTIES ONTWIKKELEN NA EEN GEDETAILLEERDE ENERGETISCHE BESCHRIJVING. WE ZULLEN EEN OUT-OF-BALANCE REGELING INVOEREN EN STRUCTURELE BEREKENINGEN COMBINEREN MET DIFFERENTIAALVERGELIJKINGEN. DIT ZAL INSTRUMENTEEL ZIJN OM DYNAMISCHE PROCESSEN VAN INTERMOLECULAIR VOUWEN MET IMPACT OP EXPRESSIE TE HERKENNEN. DAARNAAST ZULLEN WE HET STOCASTISCHE GEDRAG VAN RIBORREGUATION ANALYSEREN DOOR DE EXPRESSIE OP HET NIVEAU VAN EEN ENKELE CEL TE MONITOREN. WE ZULLEN DE STRUCTURELE KENMERKEN VAN RNA KOPPELEN AAN DE MATE VAN VARIABILITEIT TUSSEN CELLEN, HET ONTWIKKELEN VAN WISKUNDIGE MODELLEN DIE DEZE PATRONEN KUNNEN VOORSPELLEN. TOT SLOT ZULLEN WE DE OPERABILITEITSWAAIER VAN EEN EERDER ONTWORPEN RNA-GEBASEERDE CIRCUIT BESTUDEREN. WE ZULLEN EEN CIRCUIT GEBRUIKEN DAT IN STAAT IS OM LOGISCHE OPERATIES UIT TE VOEREN. DAARVOOR ZULLEN WE HET DYNAMISCHE GEDRAG IN VERSCHILLENDE OMGEVINGSOMSTANDIGHEDEN BESTUDEREN, DE IMPACT OP DE GROEI VAN RNA HETEROLOGE EXPRESSIE BESTUDEREN EN DE EVOLUTIONAIRE STABILITEIT VAN HET CIRCUIT DAT EXPERIMENTELE EVOLUTIE MAAKT ANALYSEREN. HET BEGRIP VAN HET UITGEBREIDE DYNAMISCHE GEDRAG VAN GENETISCHE SYNTHETISCHE SYSTEMEN VERGEMAKKELIJKT UITEINDELIJK DE ONTWIKKELING VAN ONTWERPPRINCIPES IN DE BIOLOGIE. KORTOM, DE IMPACT OP DE BASISWETENSCHAP VAN RNA EN SYNTHETISCHE BIOLOGIE, EVENALS HUIDIGE EN PROSPECTIEVE TOEPASSINGEN, MAKEN DIT MULTIDISCIPLINAIR ONDERZOEK TIJDIG EN RELEVANT. (Dutch)
17 December 2021
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IL MATERIALE GENETICO PUÒ ESSERE PROGRAMMATO PER ESPRIMERE SISTEMI CHE RILEVANO, ELABORANO (A SEGUITO DI LOGICOS) E RISPONDONO A (SOTTO FORMA DI ESPRESSIONE GENETICA) DIVERSI SEGNALI MOLECOLARI. LA BIOLOGIA SINTETICA AFFRONTA QUESTO PROBLEMA SEGUENDO I PRINCIPI FONDAMENTALI DELL'INGEGNERIA DEI SISTEMI; CIOÈ, COMBINANDO MODELLI MATEMATICI PER CATTURARE LA DINAMICA DELL'ESPRESSIONE GENICA, ESPERIMENTI PER MONITORARE QUANTITATIVAMENTE LE CARATTERISTICHE DEL SISTEMA (RETRO-FEEDING IL PROCESSO DI PROGETTAZIONE) E LA STANDARDIZZAZIONE DELLE PARTI GENETICHE PER LA COMPOSIZIONE MODULARE. CERTAMENTE, LA PROGETTAZIONE INIZIALE DEL CIRCUITO SI BASA SU MODELLI INCOMPLETI/SEMPLICI DI REGOLAZIONE STABILITI DAI PRECEDENTI SVILUPPI DELLA BIOLOGIA MOLECOLARE E DEI SISTEMI. UNA VOLTA PROGETTATO E CARATTERIZZATO PER LA SUA FUNZIONALITÀ PRINCIPALE, UN CIRCUITO SINTETICO PRESENTA ANCORA PIÙ DOMANDE, DI SOLITO IGNORATE. AD ESEMPIO, I MODELLI UTILIZZATI PER GUIDARE IL DESIGN ABBASTANZA PREDITTIVO?È IL COMPORTAMENTO COERENTE A LIVELLO DI POPOLAZIONE E DI UNA SINGOLA CELLULA?O QUAL È LA STABILITÀ EVOLUTIVA DI UNA COSTRUZIONE SINTETICA IN UN ORGANISMO? CREDIAMO CHE LA RISOLUZIONE DI QUESTE QUESTIONI PORTERÀ A UNA RISINTESI NELLA COMPRENSIONE DELLA FUNZIONE DEL CIRCUITO. IL LAVORO PIONIERISTICO IN BIOLOGIA SINTETICA SI CONCENTRA SULLA REGOLAMENTAZIONE TRASCRIZIONALE, PORTANDO A IMPLEMENTAZIONI GENETICHE DI PORTE LOGICHE, BISTABILI E OSCILLATORI. NEGLI ULTIMI ANNI, PERÒ, RNA È STATA SFRUTTATA PER PROGETTARE PROGRAMMI DI ESPRESSIONE GENICA CHE FUNZIONANO ROBUSTAMENTE IN VIVO, GRAZIE ALLA SUA VERSATILITÀ FUNZIONALE E DESIGNABILITÀ A LIVELLO NUCLEOTIDO. PROVA DI QUESTA IDONEITÀ SONO NUOVI MECCANISMI DI CONTROLLO E CIRCUITI FUNZIONALI CON MOLECOLE QUIMERICAS RNA. IN QUESTO PROGETTO, CI CONCENTREREMO SU RIBORREGULATORS DI INIZIAZIONE DELLA TRADUZIONE, CIOÈ PICCOLE MOLECOLE DI RNA CAPACI DI INTERAGIRE IN MODO MOLTO SPECIFICO CON LA REGIONE 5' NON TRADOTTA DA UN RNA MESSENGER PER REGOLARE L'UNIONE DEI RIBOSOMI. IN PRIMO LUOGO, SVILUPPEREMO UN NUOVO MODELLO TERMODINAMICO DI INTERAZIONI RNA-RNA IN VIVO SEGUENDO UNA DETTAGLIATA DESCRIZIONE ENERGETICA. ADOTTEREMO UNO SCHEMA FUORI EQUILIBRIO E COMBINARE CALCOLI STRUTTURALI CON EQUAZIONI DIFFERENZIALI. QUESTO SARÀ STRUMENTALE PER RICONOSCERE PROCESSI DINAMICI DI PIEGATURA INTERMOLECOLARE CON IMPATTO SULL'ESPRESSIONE. INOLTRE, ANALIZZEREMO IL COMPORTAMENTO STOCASTIC DELLA RIBORREGUATION MONITORANDO L'ESPRESSIONE A LIVELLO DI SINGOLA CELLA. COLLEGHEREMO LE CARATTERISTICHE STRUTTURALI DELL'RNA CON IL GRADO DI VARIABILITÀ TRA LE CELLULE, SVILUPPANDO MODELLI MATEMATICI IN GRADO DI PREVEDERE QUESTI MODELLI. INFINE, STUDIEREMO LA GAMMA DI OPERABILITÀ DI UN CIRCUITO BASATO SU RNA PRECEDENTEMENTE PROGETTATO. USEREMO UN CIRCUITO IN GRADO DI ESEGUIRE OPERAZIONI LOGICHE. PER QUESTO, STUDIEREMO IL COMPORTAMENTO DINAMICO IN DIVERSE CONDIZIONI AMBIENTALI, STUDIEREMO L'IMPATTO SULLA CRESCITA DELL'ESPRESSIONE ETEROLOGA DELL'RNA E ANALIZZEREMO LA STABILITÀ EVOLUTIVA DEL CIRCUITO RENDENDO L'EVOLUZIONE SPERIMENTALE. LA COMPRENSIONE DEL COMPORTAMENTO DINAMICO ESTESO DEI SISTEMI SINTETICI GENETICI IN ULTIMA ANALISI FACILITA LO SVILUPPO DI PRINCIPI DI PROGETTAZIONE IN BIOLOGIA. IN BREVE, L'IMPATTO SULLA SCIENZA DI BASE DELL'RNA E DELLA BIOLOGIA SINTETICA, NONCHÉ LE APPLICAZIONI ATTUALI E FUTURE, RENDONO QUESTA RICERCA MULTIDISCIPLINARE TEMPESTIVA E PERTINENTE. (Italian)
16 January 2022
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PGC2018-101410-B-I00
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