Control espaciotemporal de la expresión génica con redes generadoras de pulsos

Uno de los desafíos importantes en el campo emergente de la biología sintética es diseñar redes artificiales que logren un comportamiento coordinado en comunidades celulares. Aquí presentamos un sistema bacteriano multicelular sintético donde las células receptoras exhiben una expresión génica transitoria en respuesta a una señal duradera de las células emisoras vecinas. Las células emisoras diseñadas sintetizan un inductor, una lactona acilo-homoserina (AHL), que se difunde libremente a las células receptoras espacialmente próximas. Las células receptoras contienen un circuito generador de pulsos que incorpora un motivo regulador de retroalimentación anticipada. El circuito responde a un aumento duradero en el nivel de AHL activando transitoriamente, y luego reprimindo, la expresión de una GFP. Basado en modelos de simulación, diseñamos variantes del circuito generador de pulsos que exhiben diferentes respuestas cuantitativas como mayor duración e intensidad del pulso. Como muestran nuestros modelos y experimentos, la amplitud máxima y el tiempo del pulso dependen no solo de la concentración final de inductor, sino también de su tasa de aumento. La capacidad de diferenciar entre varias tasas de aumento en las concentraciones de inductores otorga al sistema un comportamiento espaciotemporal único para las células cultivadas en medios sólidos. Específicamente, las células receptoras pueden responder a la comunicación de células emisoras cercanas mientras ignoran completamente la comunicación de células emisoras más distantes, a pesar de que las concentraciones de AHL eventualmente alcanzan altos niveles en todas partes. Debido a la semejanza con motivos de retroalimentación anticipada que ocurren de forma natural, el generador de pulsos puede servir como un modelo para mejorar nuestra comprensión de tales sistemas.