Onderzoekers van het Pasteur Instituut en Inria, met onderzoekers van het CNRS en Paris Diderot University, en van het Instituut voor Wetenschap en Technologie (IST) in Oostenrijk, hebben twee artikelen gepubliceerd in Natuurcommunicatie over computerbesturing van cellulaire processen. Hybride experimentele platforms die microscopen en software combineren, stellen onderzoekers in staat om levende cellen in realtime te koppelen aan controlealgoritmen. De twee artikelen illustreren dat deze oplossingen het mogelijk maken om nieuw en gemakkelijk herprogrammeerbaar gedrag van celpopulaties te creëren. Deze externe controle van levend weefsel zou dan een formidabel onderzoeksinstrument worden om een ​​gedetailleerd inzicht te krijgen in de biologische rol van bepaalde eiwitten en om bioproductieprocessen te optimaliseren.

Het doel van synthetische biologie, die biologie combineert met techniek, is om cellen te (her)programmeren om hun prestaties in een specifieke taak te verbeteren, of zodat ze een nieuwe taak efficiënt kunnen uitvoeren. Een van de uitdagingen in dit vakgebied is dan ook het omzeilen van de beperkingen van bestaande biologische systemen. Bijvoorbeeld, het is moeilijk om dezelfde genexpressie in verschillende cellen te verkrijgen, zelfs als ze in hetzelfde medium worden gekweekt. Dankzij deze geavanceerde technologieën, de onderzoekers zijn in staat om een ​​cellulair proces over een zeer lange periode homogeen te sturen.

Onderzoekers van het Pasteur Instituut en Inria, de CNRS en Paris Diderot University, en de IST Oostenrijk hebben twee platforms ontwikkeld die een microscoop met een computer verbinden. De cellen worden in een microfluïdisch apparaat geplaatst waarin de chemische omgeving kan worden gevarieerd of de cellen kunnen worden blootgesteld aan lichtstimulaties. Een computerprogramma beslist welke wijzigingen moeten worden aangebracht in de chemische of lichte omgeving op basis van het waargenomen gedrag van de cellen en het doel van het experiment. De computer beheert ook de verwerving van beelden door de microscoop en hun analyse, om de cellulaire reacties in realtime te kwantificeren.

In het eerste artikel, de onderzoekers van het Pasteur Instituut en van twee groepen van IST Oostenrijk hebben optogenetica gebruikt om de expressie van een gen te activeren door cellen aan licht bloot te stellen. Een fluorescerend eiwit wordt gebruikt om de hoeveelheid geproduceerd eiwit te meten. een controleur, met behulp van een model van het systeem, kan vervolgens realtime beslissingen nemen over welke dynamische storingen moeten worden toegepast op basis van het verwachte toekomstige gedrag van de cellen. Dankzij de computerprogramma's die door de onderzoekers zijn gemaakt, ze kunnen elke cel afzonderlijk op verschillende manieren besturen, of creëer virtuele communicatie tussen verschillende cellen, die berichten circuleren in een gemakkelijk herconfigureerbare volgorde. " We zijn erin geslaagd een platform te bouwen waarmee we circuits kunnen ontwerpen die gedeeltelijk biologisch en gedeeltelijk virtueel zijn. De virtuele delen van deze circuits kunnen willekeurig worden aangepast om snel cellulair gedrag te creëren en te onderzoeken, zelfs verder dan wat biologisch mogelijk is, " zegt Jakob Ruess, co-eerste auteur van het eerste artikel.

In het tweede artikel, Gregory Batt, hoofd van de InBio-eenheid en co-auteur met Pascal Hersen van CNRS/Paris Diderot University legt uit hoe ze erin slaagden een cellulair systeem in een onstabiele configuratie te plaatsen:"We hebben een computerprogramma ontworpen dat de cellen dwingt om willekeurig binaire beslissingen te nemen. Om dit te doen, de cellen worden naar een gebied van instabiliteit gedreven - zoals klimmers op een bergrug - en ze worden vervolgens vrijgelaten om zich vrij te ontwikkelen naar een van de twee mogelijke stabiele configuraties. Onverwacht, zagen we dat een bepaalde stimulatie, indien correct gekozen, was in staat groepen van verschillende cellen naar het gebied van instabiliteit te brengen en daar te houden. Deze resultaten kunnen helpen om een ​​beter begrip te krijgen van hoe celpopulaties gezamenlijk robuuste beslissingen nemen zonder individuele coördinatie."

De wetenschappelijke vooruitgang die in deze artikelen wordt beschreven, werd mogelijk gemaakt door een alliantie tussen twee disciplines die vandaag complementair zijn:biologie en digitale wetenschappen. Nauwe samenwerking tussen het Pasteur Instituut en Inria, in de vorm van de InBio join onderzoeksgroep, wiens doel het is om een ​​methodologisch kader te ontwikkelen voor het verkrijgen van een kwantitatief begrip van het functioneren van cellulaire processen, is de perfecte illustratie van de waarde van interdisciplinair onderzoek dat experimentele benaderingen combineert met methodologische ontwikkelingen.