Le Dr Chelsea Hu, professeur adjoint au département de génie chimique Artie McFerrin de la Texas A&M University et membre du programme de boursiers de la faculté de responsabilité, de climat, d’équité et de bourses d’études (ACES), utilise la biologie synthétique pour aider les scientifiques à contrôler le génie génétique cellules. Son étude est la première à utiliser la modélisation et une expérience physique pour montrer l’efficacité des mécanismes de rétroaction en couches. Hu a collaboré avec le Dr Richard Murray au California Institute of Technology.
« La biologie synthétique est incroyablement utile », a déclaré Hu. « Cela permet aux scientifiques de concevoir une cellule en activant ou désactivant un gène spécifique pour que la cellule se comporte d’une certaine manière. Le problème est qu’une fois que les scientifiques ont créé la cellule modifiée, ils ont très peu de contrôle sur la façon dont elle réagit aux facteurs externes. . Mes recherches portent sur l’utilisation de la biologie synthétique pour mettre en œuvre les mécanismes de contrôle nécessaires. »
Les recherches de Hu ont été publiées dans la revue Communication Nature.
« Le contrôle est l’aspect le plus vital de l’ingénierie », a déclaré Hu. « Nous pouvons développer n’importe quoi, mais si nous ne pouvons pas le contrôler, cela ne nous est pas utile. Le but de ma recherche est d’aider les scientifiques à mieux contrôler les cellules modifiées en appliquant des mécanismes de rétroaction. »
Les ingénieurs utilisent régulièrement des mécanismes de rétroaction pour contrôler les systèmes d’une manière qui a un impact sur la vie quotidienne. Sans mécanismes de rétroaction, des choses comme les avions modernes ou les véhicules à moteur ne pourraient pas exister.
« La meilleure façon de penser à un mécanisme de rétroaction est de penser à votre climatiseur », a déclaré Hu. « Si vous programmez votre climatiseur à 72 degrés, lorsque la température monte à 73 degrés, l’appareil refroidit la pièce jusqu’à ce qu’il revienne à 72 degrés. Lorsque le thermostat atteint la température réglée, l’appareil s’éteint. »
Cependant, comme tous les mécanismes de rétroaction ne sont pas créés égaux, leur ajout n’améliorera pas toujours les performances. Les mécanismes doivent être correctement combinés car il y a souvent un compromis entre rapidité et robustesse. Une réponse rapide est généralement fragile, et une réponse robuste prend généralement plus de temps.
Les ingénieurs superposent souvent deux mécanismes de rétroaction pour surmonter le compromis lors de la conception d’un système rapide et robuste. Cette stratégie d’optimisation est en grande partie responsable des performances robustes de la plupart des technologies modernes. Des stratégies de stratification similaires se produisent également naturellement en biologie. Lorsqu’un organisme vivant subit une perturbation, telle qu’un changement environnemental, physique ou chimique, il utilise des mécanismes de rétroaction en couches pour revenir à l’homéostasie.
« Nous essayons de déterminer si c’est une coïncidence que l’évolution et l’ingénierie utilisent la même conception de rétroaction en couches », a déclaré Hu. « Nous recherchons également si les mécanismes de rétroaction en couches en biologie surmontent le compromis vitesse et robustesse de la même manière qu’ils le font dans les systèmes d’ingénierie. Plus important encore, nous déterminons si l’utilisation de mécanismes de rétroaction en couches est la bonne voie pour prendre le contrôle des systèmes biologiques synthétiques. »
Alors que les mécanismes de rétroaction en couches sont largement utilisés dans la technologie moderne, le travail de Hu est le premier du genre à concevoir, modéliser, analyser et concevoir cette architecture en couches dans les cellules vivantes. Après avoir créé les cellules vivantes avec les mécanismes de rétroaction en couches, Hu a administré des perturbations pour mesurer la réponse des cellules. Ses recherches confirment, à la fois informatiquement et expérimentalement, que les mécanismes de rétroaction en couches améliorent les performances des cellules au fil du temps.
La recherche de Hu est la première étape pour comprendre comment les scientifiques peuvent avoir un meilleur contrôle sur les cellules modifiées. À l’avenir, ces recherches pourraient avoir un impact profond sur l’humanité lorsqu’elles seront intégrées dans les domaines biomédical, agricole, industriel et environnemental.
« Une fois que nous pourrons contrôler les cellules modifiées, nous pourrons les utiliser pour améliorer la vie humaine », a déclaré Hu. « Les cellules pourraient être utilisées pour aider à des choses comme le traitement de l’inflammation intestinale, l’amélioration de la croissance des plantes ou le nettoyage des déchets chimiques. Mais le contrôle de la biologie synthétique en est encore à ses balbutiements, et nous avons beaucoup de travail à faire avant que cette technologie ne soit largement intégrée. dans notre quotidien. »
Plus d’information:
Chelsea Y. Hu et al, Le contrôle de rétroaction en couches surmonte le compromis de performance dans les réseaux biomoléculaires synthétiques, Communication Nature (2022). DOI : 10.1038/s41467-022-33058-6