Genetically engineering living systems: From complex computational scenarios to multiple market applications

Abstract

This PhD thesis explores the potential embedded in living organisms, understood as highly complex machines which can sense, compute, and react to changes in their surroundings. From this general idea, we have made use of the existing knowledge in Synthetic Biology to advance in two main topics, the computational power and the biosensing characteristics of engineered microorganisms.

In the first work, we have proposed a new methodological approach based on previous knowledge from printed electronics, spatial patterning, and distributed computation, which aim to standardize the construction of synthetic circuit designs. This would enable to map any arbitrary circuit into a new proposed architecture, achieving complex computational designs with a short set of components. Additionally, this chapter explores the potential circuit scalability and transferability, using paper as the working surface due to its low-cost and ease of use and stamping techniques as a suitable option for circuit reproducibility.

In the second work, we have focused on the field biosensing. This chapter is divided in two sections. The first one is based on the ease detection and quantification of chemical compounds, i.e., mercury as a case study, using previous knowledge on 2D surfaces. Thus, we aim to develop a new approach to obtain visual sample quantification based on diffusion pattern differences, offering point of care solutions for screening purposes. The second one explores the development of continuous monitoring devices to sense pathogens of interest, i.e., human-kind and animal-kind. As a proof of concept, pathogenic microorganisms from the Vibrio family, i.e., V cholerae as a human pathogen and Vibriosis as animal pathogens, have been detected based on their quorum sensing fingerprint. Moreover, the relative abundances of these QS signals would tell us the number of pathogens in the sample.

As it can be seen, the conduction wire in this thesis has been the progress of the Synthetic Biology discipline into the creation of closer to market designs to meet global problems.

La present tesi doctoral pretén explorar el potencial que poden oferir els organismes vius, els quals posseeixen funcions tan complexes com les de sentir, computar o reaccionar a canvis en el nostre entorn. Partint d’aquesta idea generalista i gràcies als avenços en l’àmbit de la Biologia Sintètica, la següent tesi gira entorn dues grans àrees temàtiques, la de la computació cel·lular i la dels biosensors.

En el primer treball, es proposa el desenvolupament d’una nova metodologia basada en coneixements previs en l’àmbit dels circuits impresos, els patrons espacials i la computació distribuïda, per tal d’estandarditzar el disseny de circuits sintètics. D’aquesta manera, es pot dissenyar qualsevol tipus de circuit a partir d’una nova arquitectura que permet obtenir computacions complexes amb pocs elements. A part, s’han explorat altres aspectes com ara l’obtenció de circuits escalables i transferibles. Per això, s’ha utilitzat el paper com a substrat de treball i s’han creat motlles d’estampació per aconseguir circuits reproduïbles.

El segon treball està enfocat en l’àrea dels biosensors. Aquest capítol està dividit en dues seccions. En la primera, s’explora la manera de crear sensors per a la detecció de molècules químiques d’interès, com ara el mercuri com a cas d’estudi, i la seva posterior quantificació visual gràcies a diferents patrons de difusió. En la segona secció, es pretén crear sensors més robustos per a la monitorització continua de patògens infecciosos, com ara patògens de la família de les Vibriosis. En aquest cas, la seva identificació es farà mitjançant la identificació de la seva empremta de secreció de molècules “quorum sensing” i la seva quantificació s’obtindrà en funció de les abundàncies relatives de cadascuna d’aquestes molècules.

Com es pot veure, la transferència de coneixement i la creació de solucions més properes al mercat són els principals eixos conductors d’aquesta tesi.