Paisaje organizacional de la circuitería regulatoria

Comprender los principios gobernando la organización y evolución de los circuitos biológicos de gran escala es un paso clave para hacer realidad la ambiciosa agenda de la biología sintética.

(Existen posiciones disponibles para tesis doctorales y de licenciatura en este proyecto)

La biología sintética es la ingeniería de la biología. Esta área de estudio tiene como objetivo diseñar nuevos componentes biológicos y rediseñar los sistemas naturales ya existentes. La ingeniería sin embargo se define como la aplicación creativa de principios científicos al diseño de cosas que no existen en la naturaleza. Desafortunadamente, la pobre compresión actual de los principios que gobiernan la organización y evolución de los circuitos biológicos de gran escala limita el desarrollo de la biología sintética en una autentica disciplina ingenieril.

Estamos convencidos que mediante emplear enfoques de biología de sistemas comparativa podemos ganar nuevas pistas sobre las adaptaciones particulares de los circuitos génicos a los diferentes estilos de vida. Este conocimiento relacionando los diseños de circuitos alternativos al estilo de vida de cada organismo eventualmente puede ser explotado por la biología sintética para guiar y optimizar el diseño de nuevos componentes biológicos.

Primeramente exploramos este enfoque mediante comparar los principios de organización gobernando las arquitecturas funcionales de Bacillus subtilis y Escherichia coli. Encontramos que ambas bacterias biotecnológicamente relevantes tienen principios a nivel de sistemas comunes gobernando sus arquitecturas funcionales, y brindamos una comparación de su fisiología y sus adaptaciones a sus particulares estilos de vida. En ese trabajo, hipotetizamos que la gran distancia evolutiva entre estos organismos sugiere la posible universalidad entre los procariontes de los principios comunes descubiertos.

Para brindar datos suficientes para probar esta hipótesis y para hacer realidad los enfoques a gran escala de biología de sistemas comparativa desarrollamos Abasy Atlas. Para crear Abasy (Across-bacteria systems) Atlas reconstruimos las más completas redes regulatorias bacterianas soportadas por evidencia experimental mediante metacurar e integrar conjuntos de datos de la literatura y bases de datos, entonces predijimos sus componentes a nivel de sistemas. Toda esta información está disponible en un formato homogéneo (JSON). Además, Abasy Atlas va más allá de las asociaciones funcionales genómicas mediante emplear una estrategia de “culpable por asociación” para brindar asociaciones funcionales a nivel de sistemas que permiten proponer funciones para genes que carecen de homólogos caracterizados. Así, Abasy Atlas es una atlas extenso de sistemas, propiedades globales de las redes, y elementos a nivel de sistemas moldeando redes regulatorias en bacterias.

En colaboración con el Dr. Andreas Tauch del Centro de Biotecnología (CeBiTec) de la Universidad de Bielefeld, reconstruimos la red regulatoria más completa de Corynebacterium glutamicum soportada experimentalmente y, empleando Abasy Atlas, exploramos ampliamente sus propiedades organizacionales, sus características a nivel de sistemas y su arquitectural funcional.

De Abasy Atlas aprendimos que virtualmente todas las redes de regulación bacterianas reconstruidas exhiben la misma jerarquía en forma de diamante y de tres capas predicha por el enfoque de descomposición natural. La convergencia de las redes regulatorias de bacterias dispares teniendo diferentes estilo de vida en un arquitectura funcional común gobernada por los mismos principios organizacionales sugiere que la evolución soló puede explorar un espacio restringido de posibles topologías de redes regulatorias.

A este espacio restringido le llamamos el paisaje organizacional de las redes regulatorias. La información disponible en Abasy Atlas nos permitirá estudiar y delimitar el paisaje de posibles topologías y organizaciones de redes regulatorias que la evolución puede explorar en bacterias para comprender mejor las fuerzas evolutivas detrás de éstas redes de control.

• Freyre-Gonzalez, J.A.*, Escorcia-Rodríguez, J.M., Gutiérrez-Mondragón, L.F., Martí-Vértiz, J. Torres-Franco C.N., Zorro-Aranda, A. System principles governing the organization, architecture, dynamics, and evolution of gene regulatory networks. Frontiers in Bioengineering and Biotechnology 10:888732 (2022) doi:10.3389/fbioe.2022.888732
• Escorcia-Rodríguez, J.M., Tauch, A., Freyre-González, J.A.* Corynebacterium glutamicum regulation beyond transcription: Organizing principles and reconstruction of an extended regulatory network incorporating regulations mediated by small RNA and protein-protein interactions. Microorganisms 9(7):1395 (2021) doi:10.3390/microorganisms9071395
• Escorcia-Rodríguez, J.M., Tauch, A., Freyre-González, J.A.* Abasy Atlas v2.2: The most comprehensive and up-to-date inventory of meta-curated, historical, bacterial regulatory networks, their completeness and system-level characterization. Computational and Structural Biotechnology Journal 18:1228-1237 (2020) doi:10.1016/j.csbj.2020.05.015
• Freyre-González, J.A.*, Tauch, A. Functional architecture and global properties of the Corynebacterium glutamicum regulatory network: novel insights from a dataset with a high genomic coverage. Journal of Biotechnology 257C:199-210 (2017) doi:10.1016/j.jbiotec.2016.10.025
• Ibarra-Arellano, M.A., Campos-González, A.I., Treviño-Quintanilla, L.G., Tauch, A., Freyre-González, J.A.* Abasy Atlas: A comprehensive inventory of systems, global network properties, and systems-level elements across bacteria. Database 2016:baw089 (2016) doi:10.1093/database/baw089
• Freyre-González, J.A.*, Treviño-Quintanilla, L.G., Valtierra-Gutiérrez, I., Gutierrez-Ríos, R.M., Alonso-Pavón, J.A. Prokaryotic regulatory systems biology: Common principles governing the functional architectures of Bacillus subtilis and Escherichia coli unveiled by the natural decomposition approach. Journal of Biotechnology 161(3):278-286 (2012) doi:10.1016/j.jbiotec.2012.03.028