Investigadores del Instituto Pasteur e Inria, con investigadores del CNRS y la Universidad Paris Diderot, y del Instituto de Ciencia y Tecnología (IST) de Austria, han publicado dos artículos en Comunicaciones de la naturaleza sobre el control informático de los procesos celulares. Las plataformas experimentales híbridas que combinan microscopios y software permiten a los investigadores conectar células vivas con algoritmos de control en tiempo real. Los dos artículos ilustran que estas soluciones permiten crear comportamientos nuevos y fácilmente reprogramables de poblaciones celulares. Este control externo de los tejidos vivos se convertiría entonces en una formidable herramienta de investigación para adquirir una comprensión detallada del papel biológico de ciertas proteínas y para optimizar los procesos de bioproducción.

El objetivo de la biología sintética, que combina la biología con la ingeniería, es (re) programar las células para mejorar su desempeño en una tarea específica, o para que puedan realizar de manera eficiente una nueva tarea. Uno de los desafíos de esta disciplina es, por tanto, superar las limitaciones de los sistemas biológicos existentes. Por ejemplo, es difícil obtener la misma expresión génica en diferentes células, incluso si se cultivan en el mismo medio. Gracias a estas tecnologías de vanguardia, los investigadores pueden proporcionar un control homogéneo de un proceso celular durante un período muy largo.

Investigadores del Instituto Pasteur e Inria, el CNRS y la Universidad Paris Diderot, y el IST Austria han desarrollado dos plataformas que conectan un microscopio a una computadora. Las células se colocan en un dispositivo de microfluidos en el que se puede variar el entorno químico o las células se pueden exponer a estimulaciones de luz. Un programa de computadora decide qué modificaciones se van a realizar en el ambiente químico o lumínico de acuerdo con el comportamiento observado de las células y el objetivo del experimento. La computadora también gestiona la adquisición de imágenes por el microscopio y su análisis, para cuantificar las respuestas celulares en tiempo real.

En el primer artículo, los investigadores del Instituto Pasteur y de dos grupos de IST Austria han utilizado la optogenética para activar la expresión de un gen al exponer las células a la luz. Se utiliza una proteína fluorescente para medir la cantidad de proteína producida. Un controlador, utilizando un modelo del sistema, A continuación, puede tomar decisiones en tiempo real sobre qué perturbaciones dinámicas aplicar en función del comportamiento futuro esperado de las células. Gracias a los programas informáticos creados por los investigadores, pueden controlar cada celda individualmente de varias maneras, o crear comunicación virtual entre varias células, que hacen circular los mensajes en un orden fácilmente reconfigurable. "Hemos logrado construir una plataforma que nos permite diseñar circuitos que son parcialmente biológicos y parcialmente virtuales. Las partes virtuales de estos circuitos se pueden modificar arbitrariamente para crear y explorar rápidamente comportamientos celulares". incluso más allá de lo biológicamente posible, "dice Jakob Ruess, co-primer autor del primer artículo.

En el segundo artículo, Grégory Batt, El jefe de la unidad InBio y coautor con Pascal Hersen de CNRS / Paris Diderot University explica cómo lograron colocar un sistema celular en una configuración inestable:“Diseñamos un programa informático que tiene como objetivo obligar a las células a tomar decisiones binarias al azar. Para hacer esto, las células son conducidas a una región de inestabilidad, como escaladores en la línea de una cresta de montaña, y luego se les deja evolucionar libremente hacia una de las dos posibles configuraciones estables. Inesperadamente, observamos que una estimulación dada, si se elige correctamente, fue capaz de llevar grupos de diferentes células a la región de inestabilidad y mantenerlos allí. Estos resultados podrían ayudar a obtener una comprensión más clara de cómo las poblaciones de células toman colectivamente decisiones sólidas sin coordinación individual ".

Los avances científicos descritos en estos artículos fueron posibles gracias a la alianza entre dos disciplinas hoy complementarias:la biología y las ciencias digitales. Estrecha colaboración entre el Instituto Pasteur e Inria, tomando la forma del grupo de investigación InBio join, cuyo objetivo es desarrollar un marco metodológico para lograr una comprensión cuantitativa del funcionamiento de los procesos celulares, es la ilustración perfecta del valor de la investigación interdisciplinaria que combina enfoques experimentales con desarrollos metodológicos.