Los teléfonos móviles se han convertido en algo común. Los dispositivos de comunicación modernos, como los teléfonos móviles, necesitan intercambiar grandes cantidades de información. Sin embargo, lo que está oculto debajo de las elegantes cubiertas de plástico se olvida rápidamente: los procesadores de señales complejos luchan constantemente contra el ruido y se adaptan constantemente a los cambios.ambiente.
Pero el ruido y las condiciones ambientales cambiantes no solo afectan los circuitos eléctricos. En biología sintética, los científicos enfrentan problemas similares. Sin embargo, en biología sintética todavía no existe una metodología para tratar el ruido. Prof. Mustafa Khammash y Christoph Zechner del Departamentode Biosystems Science and Engineering han estudiado cómo los procesadores de señales convencionales pueden traducirse en procesos bioquímicos, construidos y operados dentro de las células vivas.
Una limitación importante en la ingeniería de circuitos biológicos es que las células huésped, incluso si son genéticamente idénticas, nunca son iguales. Por ejemplo, la célula A podría estar en una etapa diferente del ciclo celular o tener más ribosomas disponibles que la célula BPor lo tanto, el mismo circuito sintético puede comportarse de manera muy diferente en cada una de estas dos celdas. En casos extremos, solo una pequeña fracción de celdas puede mostrar el comportamiento correcto, mientras que las celdas restantes actúan de manera impredecible. Esto se conoce como dependencia de contexto.
Una estrategia clave para lograr un comportamiento resistente al ruido y, por lo tanto, independiente del contexto es construir un circuito que evalúe cómo se ve el ruido, permitiendo que se separe de la señal de manera efectiva. Los auriculares con cancelación de ruido, por ejemplo, dependen en gran medida deesta idea: un pequeño micrófono mide las señales de fondo. Un algoritmo estadístico predice cómo las señales de fondo se propagan al interior del auricular. Finalmente, esta señal predicha se cancela con la señal de fondo. Aparentemente, el mismo principio puede aplicarse para suprimir el ruidoen circuitos biológicos. En particular, un circuito puede comportarse independientemente del contexto si puede cancelar el efecto de su entorno molecular con la ayuda de un filtro de ruido.
Tales filtros se han estudiado intensamente durante el auge de las telecomunicaciones en la década de 1950. El éxito de las ideas de filtrado culminó con la invención del filtro Kalman llamado así por el Prof. em. Rudolf Kalman en ETH Zurich, que ha tenido un revolucionarioimpacto en varios campos, que van desde las telecomunicaciones hasta la ingeniería financiera. Hoy en día casi no existe ninguna disciplina de ingeniería que no esté directamente afectada por el filtro de Kalman.
Desafortunadamente, el filtro de Kalman no se aplica directamente a los sistemas moleculares porque sus supuestos matemáticos subyacentes son incompatibles con la biología molecular. Por lo tanto, se ha inventado un filtro de ruido estadístico llamado filtro de Poisson, realizable a través de un solo gen que tiene tanto un componente como un componenteun promotor inducible. Como Christoph Zechner explica más adelante: "Descubrimos que bajo ciertas suposiciones significativas, se puede derivar un filtro de ruido sorprendentemente simple: el filtro de Poisson. El nombre se deriva del hecho de que se basa en una cierta distribución de probabilidad llamadadespués del matemático francés Siméon Poisson. "Los investigadores probaron el filtro de Poisson mediante el uso de un circuito genético en células bacterianas que pueden ser inducidas por la luz verde. Aplicaron señales de ruido arbitrarias al circuito, que fue capaz de rastrear las señales de luz enuna precisión notable. En consecuencia, el filtro de Poisson puede entenderse como un análogo molecular del filtro de Kalman.
Mustafa Khammash señala que han colaborado con Georg Seelig en la Universidad de Washington en Seattle en una de las partes experimentales del proyecto. "George Seelig es un experto en circuitos sintéticos basados en ADN. Algunos de los experimentos in vitro fueronllevado a cabo en su laboratorio, mientras que otros se hicieron aquí en Basilea "
Los circuitos como el anterior podrían desempeñar un papel importante para que la biología sintética alcance muchas de sus aplicaciones potenciales, como nuevas terapias o biosensores. Por ejemplo, los investigadores de ETH han propuesto recientemente un medicamento médico selectivo que puede distinguir las células sanas de las tumorales usando un sintéticocircuito que se transfecta a las células. Si una célula se encuentra sana, no se ve afectada por el circuito. En caso de que se detecte una célula cancerosa, se libera un compuesto médico que induce la apoptosis, es decir, la muerte celular programada.-la variabilidad celular puede afectar severamente el rendimiento del circuito, de modo que es probable que se produzcan clasificaciones erróneas. Como consecuencia, el efecto deseado del medicamento puede invertirse en una fracción de las células, lo que significa que las células sanas mueren, mientras que las células cancerosas pueden proliferar sin afectar.
Los circuitos de filtrado proporcionan una estrategia prometedora para abordar este problema. Más específicamente, podrían usarse para suprimir eficazmente las variaciones de célula a célula y, a su vez, mejorar la especificidad y eficacia de un medicamento ". El objetivo de nuestro proyecto era diseñarcircuitos sintéticos independientes del contexto. El siguiente paso importante es probar nuestro marco en aplicaciones prácticas ", resume Christoph Zechner. Y como concluye Mustafa Khammash:" Los filtros moleculares que hemos inventado pueden utilizarse para estimar estados celulares. Estas estimaciones permitiríanbiosensores resistentes al ruido y regulación de retroalimentación, entre otras aplicaciones "
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por ETH Zúrich . Original escrito por Isabelle Fol. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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