Biología Sintética de Biosensores

Línea de Investigación en
sistemas Biológicos

Miguel Fernandez Niño

PhD en Ingeniería Bioquímica.

Investigador Postdoctoral
Departamento de Ingeniería Química y de Alimentos
Universidad de los Andes | UNIANDES  Grupo
Grupo de de diseño
diseño de
de productos
productos yy procesos
procesos 1
¿Realmente sabemos qué
es un sistema biológico?

Explorando universos a
múltiples escalas

2
Parque Nacional Sierra de la Macarena
Fuente: Property Pick ǀ plansouthamerica.com 3
Un paisaje microscópico ante nosotros
4
Un paisaje microscópico ante nosotros
Un paisaje unicelular ante nosotros
Un paisaje unicelular ante nosotros
Un paisaje molecular ante nosotros
 Identificación masiva de biocomponentes
La revolución de las “omicas”

Metabolitos Metabolómica

Proteínas Proteómica

RNA Transcriptómica

DNA Genómica

9
 ¿Por qué es importante identificar estos
componentes, su dinámica, interacción y función?

Tenemos en nuestras manos un lego biológico

Sistemas a la carta: Biología Sintética 10
 Biología sintética
Rama interdisciplinaria encargada de la construcción de sistemas biológicos
sintéticos/artificiales

Biología
sintética

Acelerado crecimiento de la
investigación, inversión y mercados
en Biología Sintética
Fuentes: Fernández-Niño M; NewScientist, issue 2868, published 9 June 2012 11
 Biología Sintética: principios

Biología Sintética
Fuente: http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/16738572 12
 ¿Qué se necesita para diseñar y construir un un
sistema biológico?

1. Partes (Biobricks)

2. Caja de herramientas molecular

(molecular toolbox) para hacer
ingeniería genética

3. Un chasis biológico

Fuentes: Fernández-Niño M; NewScientist, issue 2868, published 9 June 2012 13

 Las partes: BioBricks

Fuente: http://ranyaodeh22.wixsite.com/syntheticbiology/blank-1
14
 Bases de datos moleculares
(ADN, ARN, Proteínas)
http://parts.igem.org/
 NCBI
 SwissProt
 BRENDA
 Panther
 PubGene
 Otras…

Qué criterios se utilizan para elegir donde buscar?

Cuál base me es más conveniente?

15
 ¿Cómo obtener esas partes?

Clonación clásica vs síntesis de novo

16
Clonación clásica (partes por PCR)

Ventajas:

AMPICILINA
TETRACICLINA
CLORAMFENICOL
KANAMICINA
STREPTOMICINA

Qué ventaja tendría el diseño de partes por PCR?

17
Clonación clásica (partes por PCR)

Desventajas:

Qué desventaja tendría el diseño de partes

AMPICILINA
por PCR? TETRACICLINA
• Sitio de restricción no • Licencia de colecta biológica
CLORAMFENICOL
deseado
KANAMICINA
• Permiso de acceso a recurso
STREPTOMICINA
genético

Extremófilas…
18
Diseño de novo de partes
genes sintéticos

AMPICILINA
TETRACICLINA
CLORAMFENICOL
KANAMICINA
Cuánto creen que cuesta
STREPTOMICINA

sintetizar 1000 bp?

Cuánto creen que

se demora?
19
Síntesis de novo
Gene Synthesis-$0.09/bp | GeneUniversal.com
Gene Synthesis - from $0.09/bp | Free Subcloning |
Synbio-Tech.com

20
Principales ventajas:
• Codon optimization

• Diseño de Novo:

No requiere el organismo

Permite introducir mutaciones, etc…

21
 ¿Qué se necesita para diseñar y construir un un
sistema biológico?

1. Partes (Biobricks)

2. Caja de herramientas molecular

(molecular toolbox) para hacer
ingeniería genética

3. Un chasis biológico

Fuentes: Fernández-Niño M; NewScientist, issue 2868, published 9 June 2012 22

 ¿Qué tecnologías claves permiten acoplar estas partes?

1. Biobricks assembly

2. Gibson assembly

3. Golden Gate Assembly

4. HiFi DNA Assembly

Fuentes: http://www.pintels.com/industry-solutions/pintels-for-synthetic-biology.shtml
23
1. Biobricks assembly

Isocaudamers / Isoschizomer
24
 ¿Qué tecnologías claves permiten acoplar estas partes?

1. Biobricks assembly

2. Gibson assembly

Fuentes: http://www.pintels.com/industry-solutions/pintels-for-synthetic-biology.shtml
25
2. Gibson assembly

26
2. Gibson assembly

https://openwetware.
org/wiki/Gibson_Asse
mbly

Protocol for DIY

27
 ¿Qué se necesita para diseñar y construir un un
sistema biológico?

1. Partes (Biobricks)

2. Caja de herramientas molecular

(molecular toolbox) para hacer
ingeniería genética

3. Un chasis biológico

Fuentes: Fernández-Niño M; NewScientist, issue 2868, published 9 June 2012 28

Un chasis biológico
PROCARIOTAS

vs

EUCARIOTAS

29
Diseñando biosensores y sistemas artificiales

1. Biosensor de sistemas de Quorum Sensing (QS)

2. Una red multicelular de osciladores sintéticos

3. E.Chromi

30
 Biosensor de sistemas de Quorum Sensing (QS)

¿Qué es el Quorum Sensing?

Fuente: http://schaechter.asmblog.org/schaechter/2016/10/quorum-sensing-for-the-mutes.html

31
 El Quorum Sensing

• Factores de
virulencia

• Formación
de Biofilms

• Motilidad

• Metabolitos
secundarios

Fuente: http://www.agr.kyushu-u.ac.jp/lab/microbt/Research/QuorumSensing.html
32
 Cepa biosensora fluorescente transformada para la
detección de bacterias Gram negativas

Fuente: Fernández-Niño M. 2012.

Diseño de
inhibidores
Pseudomonas aeruginosa
33
Diseñando biosensores y sistemas artificiales

1. Biosensor de sistemas de Quorum Sensing (QS)

2. Una red multicelular de osciladores sintéticos

3. E.Chromi

34
 A synthetic multi-cellular network of coupled self-
sustained oscillators
El repressilator

Fuente: Elowitz and Leibler. Nature volume 403, pages 335–338 (20 January 2000)
35
 A synthetic multi-cellular network of coupled self-
sustained oscillators

Fuente: Fernández-Niño et al. 2017.

36
 A synthetic multi-cellular network of coupled self-
sustained oscillators

Fuente: Fernández-Niño et al. 2017.

37
 Tomado de Danino et al. 2010.

Fuente: Fernández-Niño et al. 2017.

38
Diseñando biosensores y sistemas artificiales

1. Biosensor de sistemas de Quorum Sensing (QS)

2. Una red multicelular de osciladores sintéticos

3. E.Chromi

39
 E.Chromi: Bacteria that color your poop according to
what ails you

Fuente: James King, Alexandra Daisy Ginsberg and University of Cambridge's iGEM 2009 Biology Team's E. chromi color-coded designer bacteria for illness. 40
 E.Chromi: Bacteria that color your poop according to
what ails you

Fuente: James King, Alexandra Daisy Ginsberg and University of Cambridge's iGEM 2009 Biology Team's E. chromi color-coded designer bacteria for illness. 41
E.Chromi: Bacteria that color your poop according to
what ails you

Fuente: James King, Alexandra Daisy Ginsberg and University of Cambridge's iGEM 2009 Biology Team's E. chromi color-coded designer bacteria for illness.
42
 E.Chromi: Bacteria that color your poop according
to what ails you

Fuente: James King, Alexandra Daisy Ginsberg and University of Cambridge's iGEM 2009 Biology Team's E. chromi color-coded designer bacteria for illness.
43
Qué ideas tienen para diseñar un biosensor?

44
 Muchas gracias por su atención!

Contacto:
Miguel Ángel Fernandez
ma.fernandezn@uniandes.edu.co

Curso educación
continua

45