Computeriseret biologi, eller hvordan man styrer en population af celler med en computer

Forskere fra Pasteur Institute og Inria, med forskere fra CNRS og Paris Diderot University, og fra Institut for Videnskab og Teknologi (IST) i Østrig, har publiceret to artikler i Naturkommunikation om computerstyring af cellulære processer. Hybride eksperimentelle platforme, der kombinerer mikroskoper og software, gør det muligt for forskere at forbinde levende celler med kontrolalgoritmer i realtid. De to artikler illustrerer, at disse løsninger gør det muligt at skabe ny og let omprogrammerbar adfærd hos cellepopulationer. Denne eksterne kontrol af levende væv ville derefter blive et formidabelt forskningsværktøj til at opnå en detaljeret forståelse af den biologiske rolle af visse proteiner og til at optimere bioproduktionsprocesser.

Målet med syntetisk biologi, som kombinerer biologi med teknik, er at (om)programmere celler for at forbedre deres ydeevne i en specifik opgave, eller så de effektivt kan udføre en ny opgave. En af udfordringerne i denne disciplin er således at omgå de eksisterende biologiske systemers begrænsninger. For eksempel, det er svært at opnå det samme genekspression i forskellige celler, også selvom de dyrkes i samme medium. Takket være disse banebrydende teknologier, forskerne er i stand til at give homogen kontrol af en cellulær proces over en meget lang periode.

Forskere fra Pasteur Institute og Inria, CNRS og Paris Diderot University, og IST Østrig har udviklet to platforme, der forbinder et mikroskop med en computer. Cellerne placeres i en mikrofluidisk enhed, hvor det kemiske miljø kan varieres, eller cellerne kan udsættes for lysstimuleringer. Et computerprogram bestemmer, hvilke modifikationer der skal foretages i det kemiske eller lette miljø i henhold til cellernes observerede adfærd og formålet med forsøget. Computeren styrer også optagelsen af ​​billeder ved hjælp af mikroskopet og deres analyse, at kvantificere de cellulære responser i realtid.

I den første artikel, forskerne fra Pasteur Instituttet og fra to grupper ved IST Østrig har brugt optogenetik til at aktivere ekspressionen af ​​et gen ved at udsætte celler for lys. Et fluorescerende protein bruges til at måle mængden af ​​produceret protein. En controller, ved hjælp af en model af systemet, kan derefter træffe beslutninger i realtid om, hvilke dynamiske forstyrrelser der skal anvendes baseret på cellernes forventede fremtidige adfærd. Takket være computerprogrammerne skabt af forskerne, de kan kontrollere hver celle individuelt på forskellige måder, eller skabe virtuel kommunikation mellem flere celler, som cirkulerer beskeder i en let rekonfigurerbar rækkefølge. "Vi har formået at bygge en platform, der giver os mulighed for at designe kredsløb, der er delvist biologiske og delvist virtuelle. De virtuelle dele af disse kredsløb kan modificeres vilkårligt for hurtigt at skabe og udforske cellulær adfærd, selv ud over hvad der er biologisk muligt, siger Jakob Ruess, medførsteforfatter til den første artikel.

I den anden artikel, Grégory Batt, leder af InBio-enheden og medforfatter med Pascal Hersen fra CNRS/Paris Diderot University forklarer, hvordan de formåede at placere et cellulært system i en ustabil konfiguration:"Vi designede et computerprogram, som har til formål at tvinge cellerne til at tage binære beslutninger tilfældigt. At gøre dette, cellerne drives til et område med ustabilitet – som klatrere på en bjergryglinje – og de efterlades derefter til at udvikle sig frit mod en af ​​de to mulige stabile konfigurationer. uventet, vi observerede, at en given stimulation, hvis det er valgt rigtigt, var i stand til at tage grupper af forskellige celler til området med ustabilitet og holde dem der. Disse resultater kan hjælpe med at få en klarere forståelse af, hvordan cellepopulationer i fællesskab tager robuste beslutninger uden individuel koordinering."

De videnskabelige fremskridt, der er beskrevet i disse artikler, blev muliggjort af en alliance mellem to discipliner, der i dag er komplementære:biologi og digitale videnskaber. Tæt samarbejde mellem Pasteur Instituttet og Inria, i form af InBio join research group, hvis formål er at udvikle en metodisk ramme for at opnå en kvantitativ forståelse af funktionen af ​​cellulære processer, er den perfekte illustration af værdien af ​​tværfaglig forskning, der kombinerer eksperimentelle tilgange med metodiske udviklinger.