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» » » » Un matemático revela el mecanismo que sustenta los ritmos biológicos

Referencia: Science Daily.com . 28 de agosto 2015
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 Los científicos han predicho cómo los circuitos biológicos generan ritmos y controlar su robustez, utilizando modelos matemáticos basados ​​en ecuaciones diferenciales y muestreo de parámetro estocástico.

Este esquema es el diseño de un circuito biológico entre dos cepas de bacterias, y parte de las ecuaciones diferenciales que utilizadas para entender la función del circuito biológico. Crédito: KAIST
Nuestros cuerpos tienen una variedad de relojes biológicos que siguen ritmos u oscilaciones con períodos que van desde segundos a días. Por ejemplo, nuestros corazones laten cada segundo, y las células se dividen periódicamente. El reloj circadiano, situado en el hipotálamo, genera un ritmo de veinticuatro horas, contando nuestro sueño y la liberación de hormonas. ¿Cómo se generan estos relojes, o circuitos biológicos, manteniendo los ritmos estables tan esenciales para la vida?

Jae Kyoung Kim, profesor asistente en el Departamento de Ciencias Matemáticas de KAIST, ha logrado predecir cómo estos circuitos biológicos generan ritmos y controlan su robustez, utilizando modelos matemáticos basados ​​en ecuaciones diferenciales y muestreos de parámetros estocásticos. Basándose en sus predicciones, y utilizando la biología sintética, un equipo de investigación dirigido por Matthew Bennett, de la Universidad de Rice, ha construido un circuito biológico novedoso que abarca dos cepas de bacterias genéticamente modificadas, una sirve como activador y la otra como un represor, para regular la expresión de genes a través de múltiples tipos de células, y descubrieron que el circuito genera sorprendentemente robustos ritmos bajo diversas condiciones.

Los resultados de esta investigación, llevada a cabo en colaboración con KAIST (Instituto Coreano de Ciencia y Tecnología), la Universidad de Rice y la de Houston, se han publicado en la revista Science.

El enfoque de investigación de arriba abajo, se centra en la identificación de los componentes de los circuitos biológicos, alcanzando nuestra comprensión de tales mecanismos generadores. La biología sintética, es un campo de rápido crecimiento en la interfaz de las biociencias y la ingeniería.

Los biólogos sintéticos pueden crear circuitos complejos con componentes más simples, y algunos de ellos son capaces de fluctuación, capaces de regular la producción de genes. De la igual manera que ingenieros eléctricos entienden cómo funciona un circuito eléctrico conforme construyen baterías, resistencias y cables, los biólogos sintéticos entienden mejor los circuitos biológicos utilizando genes y proteínas. Sin embargo, debido a la complejidad de los sistemas biológicos, tanto para los experimentos como el modelado matemático es necesario aplicarse codo con codo para diseñar estos circuitos biológicos y comprender su función.

En esta investigación, un enfoque interdisciplinario demostró que un circuito intercelular singular sintético genera ritmos robustos capaz de crear un sistema microbiano cooperativo. En concreto, el análisis matemático de Kim sugirió, y los experimentos lo confirmaron, que la presencia de bucles de retroalimentación negativa, además de un bucle de un núcleo transcripcional de realimentación negativa puede explicar la robustez de los ritmos de este sistema. Este resultado proporciona pistas importantes sobre el mecanismo fundamental para la generación robusta de ritmos en los sistemas biológicos.

Además, en lugar de la construcción de todo el circuito dentro de una única cepa bacteriana, el circuito se dividió entre dos cepas de la bacteria Escherichia coli. Cuando se cultivaron conjuntamente las cepas, las bacterias intercambiaban información, completando el circuito. Por tanto, esta investigación también demuestra cómo, mediante la regulación de células individuales dentro del sistema, se pueden controlar los sistemas biológicos complejos, lo cual a su vez influye en las otras células (p. ej., el microbioma intestinal de los humanos).

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Fuente: The Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST), vía EurekAlert.org .
Imagen: Este esquema es el diseño de un circuito biológico entre dos cepas de bacterias, y parte de las ecuaciones diferenciales que utilizadas para entender la función del circuito biológico. Crédito: KAIST
Publicación: Y. Chen, J. K. Kim, A. J. Hirning, K. Josi , M. R. Bennett. Emergent genetic oscillations in a synthetic microbial consortium. Science, 2015; 349 (6251): 986 DOI: 10.1126/science.aaa3794.

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