Concepción, diseño e implementación de un represilador biológico, electrónico e informático como material pedagógico para difundir la biología sintética en Instituciones Educacionales

Abstract

La Biología Sintética es un campo emergente a nivel internacional que integra la ingeniería a la biología, permitiendo el uso de organismos como máquinas o herramientas para solucionar problemas tanto ambientales como energéticos y de salud. Sin embargo, en Chile está poco desarrollada, a pesar de algunos esfuerzos recientes desde el 2012. Por los principios ingenieriles transversales que trae (estandarización, modularidad, abstracción), su interdisciplinaridad y la visión colaborativa que la caracteriza, la Biología Sintética se vuelve una disciplina de alto interés para la formación educativa de los profesionales de mañana. Se propone en esta memoria la construcción de un oscilador biológico llamado represilador y del circuito electrónico equivalente, ambos simulados mediante un modelo matemático. El objetivo es utilizar estos sistemas para transparentar la analogía de comportamientos existentes entre Biología, Electrónica e Informática, basada en los principios de estandarización, modularidad y abstracción y utilizarlos como medio pedagógico. Por una parte, se construyó el represilador con técnicas estandarizadas de ensamblaje de ADN como el Gibson Assembly, basándose en el trabajo de Elowitz [1]. Por otra parte, el oscilador electrónico se construyó en base a la información encontrada en la literatura, proponiendo la integración de LEDs en el circuito como reporteros del comportamiento de las tensiones de salida de cada unidad electrónica, estas últimas representando las concentraciones de los distintos represores en el sistema biológico. Finalmente, la simulación de ambos osciladores se realiza mediante modelos matemáticos implementados en Matlab, permitiendo el análisis de la sensibilidad de los parámetros asociados a cada set de ecuaciones. La construcción del represilador se completó parcialmente con el ensamblaje exitoso del plásmido conteniendo el módulo PLacI-TetR-RFP. Una discusión importante que se desprende es la crítica acerca del uso de partidores flanqueando zonas estándares diseñadas para el ensamblaje de ADN mediante enzimas de restricción, que perjudica la especificidad de las reacciones de PCR y por lo tanto dificulta la purificación y la reamplificación de fragmentos ensamblados de interés. El oscilador electrónico se implementó exitosamente en el laboratorio de electrónica de la Facultad y la simulación con el programa LTSpiceIV mostró que los LEDs rompen la dinámica oscilante. La simulación informática de los sistemas biológico y electrónico mostró que ambos tienen efectivamente un comportamiento oscilatorio. El análisis de sensibilidad identificó la expresión basal de los promotores como parámetro crítico para la generación de oscilaciones en el sistema genético y la alimentación del polo negativo de los amplificadores operacionales como parámetro determinante en la persistencia de éstas en el sistema electrónico. En paralelo, se diseñó una actividad pedagógica para el curso de Biología para Ingenieros y Científicos de la Facultad para llevar este trabajo a una aplicación. En base a los resultados obtenidos, se concluye que se cumplió parcialmente los objetivos planteados y se propone un plan de acción a futuro para terminar el trabajo, el cual podría eventualmente ser aprovechado en el proyecto piloto de Educación y Cultura CTI del gobierno. Primero, se tiene que realizar los últimos ensamblajes genéticos para completar la construcción del represilador y luego monitorear la fluorescencia de las bacterias transformadas con el represilador. En el caso del sistema electrónico, se volverá al laboratorio para determinar el efecto de la inserción de los LEDs sobre la dinámica oscilatoria y probar varios sets de resistencias y condensadores para modificar la frecuencia de las oscilaciones. En cuanto a la simulación informática, se ajustará en el futuro a los parámetros experimentales de ambos sistemas biológico y electrónico.