Exploring the frontiers of synthetic biology: modelling, characterization, and applications of genetics circuits

Abstract

Engineering biology requires a clear set of rules that ensure design predictability. However, certain biological processes difficult the application of these rules, impairing prediction. In the first section of this PhD thesis, we addressed this issue by focusing on genetic load as a major source of unpredictability in synthetic biological circuits. We have formulated a mathematical model describing genetic load’s impact on gene expression. Furthermore, the model has been experimentally validated in a series of different scenarios involving genes controlled by different regulatory mechanisms. Experimental validation across the diverse circuits aligns with expected behaviors, providing a foundational framework for synthetic biology advancement. In the second section, we have explored the use of RNA thermometers to control the expression of DNA recombinases, inducing irreversible DNA modifications. The contributions of promoter strength, temperature, time pulses or spatial distribution on the recombination efficiency of such devices has been assessed. Finally, three applications of this tool have been tested: creating spatial patterns on 2D surfaces, recording temperature gradients on paper strips, and constructing genetic devices for controlled temperature-induced cell lysis.

L'aplicació de la enginyeria a la biologia requereix un conjunt de normes que en garanteixin la predictibilitat. Malgrat això, certs processos biològics dificulten la aplicació d’aquestes normes, afectant a la predictibilitat. A la primera part d’aquesta tesi doctoral hem abordat aquest problema focalitzant-nos en la càrrega genètica, una de les principals fonts d’impredictibilitat als circuits genètics a la biologia sintètica. Hem formulat un model matemàtic que descriu els efectes de la càrrega genètica sobre l’expressió genètica. Addicionalment, el model ha sigut validat experimentalment en diferents escenaris compostos per gens controlats per diferents mecanismes de regulació. La validació experimental als diferents escenaris coincideix amb els resultats predits pel model, proporcionant una base per a l’avenç de la biologia sintètica. A la segona part s’ha explorat l’ús de termòmetres de RNA per al control de l’expressió de recombinases, induint modificacions irreversibles al DNA. S’han caracteritzat les contribucions de la força del promotor, la temperatura, polsos temporals i la distribució espacial en l’eficiència de recombinació. Per acabar s’ha explorat la utilitat d’aquesta nova eina en tres possibles aplicacions: en la creació de patrons espacials en 2D, en el registre de gradients de temperatura sobre tires de paper, i en la creació de dispositius genètics on la lisis cel·lular és controlada per temperatura.