Engineering framework for scalable recombinase logic operating in living cells

par Sarah Guiziou

Thèse de doctorat en Biologie Santé

Sous la direction de Jérôme Bonnet.

Soutenue le 14-09-2018

à Montpellier , dans le cadre de Sciences Chimiques et Biologiques pour la Santé , en partenariat avec Centre de biochimie Structurale (Montpellier) (laboratoire) et de Centre de Biochimie Structurale [Montpellier] / CBS (laboratoire) .

Le président du jury était Patrick Lemaire.

Le jury était composé de Jérôme Bonnet, Patrick Lemaire, Yolanda Schaerli, Javier Macia, Pascal Hersen.

Les rapporteurs étaient Yolanda Schaerli, Javier Macia.

  • Titre traduit

    Développement d'un cadre systématique pour l'implémentation de logique dans les organismes vivants en utilisant les recombinases


  • Résumé

    L’un des objectifs principal de la biologie synthétique est de reprogrammer les organismes vivants pour résoudre des challenges mondiaux actuelles dans le domaine industriel, environnemental et de la santé. Tandis que de nombreux types de portes logiques génétiques ont été conçus, leur extensibilité reste limitée. Effectivement, la conception de portes logiques reste en grande partie un processus fastidieux et repose soit sur l’intuition humaine, soit sur des méthodes computationnelles de force brute. De plus, les circuits conçus sont généralement de grande taille et ne sont donc pas faciles à implémenter dans les organismes vivants.Durant ma thèse, mon objectif a été d’augmenter la puissance de calcul des circuits logiques utilisant des intégrases tout en permettant aux chercheurs d’implémenter simplement ces circuits à un large éventail d'organismes et d’entrées.Tout d’abord, j’ai développé un cadre extensible et composable pour le design systématique de systèmes multicellulaires implémentant de la logique Booléenne et histoire dépendent. Ce design est basé sur l'utilisation de sérine intégrases et peut intégrer un nombre arbitraire d’entrée. J’ai implémenté dans Escherichia coli des circuits logiques Booléens multicellulaires jusqu’à quatre entrées et des circuits histoire-dépendent jusqu’à 3 entrées. En raison de son extensibilité et de sa composabilité, ce design permet une implémentation simple et directe de circuits logiques dans des systèmes multicellulaires.J’ai également poussé le compactage des circuits logiques biologiques. Pour cela, j’ai généré une base de données complète de tous les circuits logiques unicellulaires possibles pour l’implémentation de fonctions booléennes à deux, trois et quatre entrées. La caractérisation d’un ensemble réduit des circuits de cette base de données devra être effectuée pour prouver la faisabilité de leur implémentation.Je pense que ces différentes stratégies de conception et les différents outils distribués (pièces biologiques et interface web) aideront les chercheurs et les ingénieurs à reprogrammer le comportement cellulaire de manière simple pour diverses applications.


  • Résumé

    A major goal of synthetic biology is to reprogram living organisms to solve pressing challenges in manufacturing, environmental remediation, or healthcare. While many types of genetic logic gates have been engineered, their scalability remains limited. Indeed, gate design remains largely a tedious process and relies either on human intuition or on brute-force computational methods. Additionally, designed circuits are usually large and therefore not straightforward to implement in living organisms.Here, I aimed at increasing the computation power of integrase-based logic circuits while permitting researchers to simply implement these circuits to a large range of organisms and of inputs.First, I developed a scalable composition framework for the systematic design of multicellular systems performing integrase-based Boolean and history-dependent logic and integrating an arbitrary number of inputs. I designed multicell Boolean logic circuits in Escherichia coli to up to 4 inputs and History-dependent circuits to 3 inputs. Due to its scalability and composability, this design framework permits a simple and straightforward implementation of logic circuits in multicellular systems.I also pushed forward the compaction of biological logic circuits. I generated a complete database of single-cell integrase-based logic circuits to obtain all possible designs for the implementation of up to 4-input Boolean functions. Characterization of a reduced set of circuits will have to be performed to prove the feasibility of the implementation of these circuits.All these design strategies can be implemented via easily accessible web interfaces, and open collections of biological components that are made available to the scientific community. These tools will enable researchers and engineers to reprogram cellular behavior for various applications in a streamlined manner.


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