Fundamentos de la Biología Sintética

Abstract

El presente trabajo de fin de grado, sustentado principalmente en una revisión bibliográfica, versa acerca de las bases y características fundamentales de la Biología Sintética y su relación con la Física en terrenos como la Genética y la Bioquímica. Hemos estudiado las reacciones bioquímicas desde el siglo XIX y la regulación génica partiendo de los nucleótidos para alcanzar las redes genéticas sintéticas del presente siglo XXI. La bacteria Escherichia coli (E. coli) es el organismo que dota de material genético al trabajo y será protagonista en los sistemas estudiados Toggle – Switch y Represilador, los cuales marcaron el comienzo de la Biología Sintética en el año 2000. Ambos sistemas están caracterizados por reacciones bioquímicas modeladas por redes genéticas sintéticas, las cuales, a su vez, pueden ser representadas por medio de sistemas de ecuaciones diferenciales no lineales acopladas. A partir del análisis de estabilidad es posible predecir el estado del sistema usando para ello los métodos numéricos. En el trabajo hemos estudiado los modelos matemáticos de los sistemas Toggle – Switch y Represilador y hemos hecho simulaciones en código Matlab: planos de fase, evoluciones temporales y transformadas de Fourier. En el último apartado se acopla la percepción de quórum o “quorum sensing” al sistema Represilador, dotándolo de una mayor complejidad. Finalmente hemos añadido algunos detalles sobre la actualidad de la Biología Sintética.

This final degree project, which is based on a bibliographic study, deals with fundaments and main features of Synthetic Biology, as well as its connection with Physics in the field of Genetics and Biochemistry. We have studied biochemical reactions from XIX century and gen regulation starting from nucleotides to get synthetic genetic networks of this century. Escherichia coli (E.coli) bacterium is the organism which gives genetic material to this work and it will be essential to the systems Toggle – Switch and Repressilator. These ones were the beginning of the Synthetic Biology in 2000. Both systems are characterized by biochemical reactions that are modelled on synthetic genetic networks and these networks can be written by nonlinear coupled differential equation systems. From stability analysis is possible to predict the system state by using numerical methods. Moreover, in the current study we have analyzed mathematical models of Toggle – Switch and Repressilator systems and we have created Matlab numerical simulations: phase planes, temporal evolutions and Fourier transforms. In the last section quorum sensing is coupled to Repressilator system by giving it a greater complexity. Finally, we have added some details about the current situation of Synthetic Biology.