Forskare från Pasteur Institute och Inria, med forskare från CNRS och Paris Diderot University, och från Institute of Science and Technology (IST) i Österrike, har publicerat två artiklar i Naturkommunikation om datorstyrning av cellulära processer. Hybrida experimentella plattformar som kombinerar mikroskop och mjukvara gör det möjligt för forskare att koppla samman levande celler med kontrollalgoritmer i realtid. De två artiklarna illustrerar att dessa lösningar gör det möjligt att skapa nya och lätt omprogrammerbara beteenden hos cellpopulationer. Denna externa kontroll av levande vävnad skulle då bli ett formidabelt forskningsverktyg för att skaffa sig en detaljerad förståelse av vissa proteiners biologiska roll och för att optimera bioproduktionsprocesser.

Målet med syntetisk biologi, som kombinerar biologi med teknik, är att (om)programmera celler för att förbättra deras prestanda i en specifik uppgift, eller så att de effektivt kan utföra en ny uppgift. En av utmaningarna i denna disciplin är alltså att kringgå begränsningarna hos befintliga biologiska system. Till exempel, det är svårt att få samma genuttryck i olika celler, även om de odlas i samma medium. Tack vare dessa banbrytande teknologier, forskarna kan ge homogen kontroll av en cellulär process under en mycket lång period.

Forskare från Pasteur Institute och Inria, CNRS och Paris Diderot University, och IST Österrike har utvecklat två plattformar som kopplar ett mikroskop till en dator. Cellerna placeras i en mikrofluidisk anordning där den kemiska miljön kan varieras eller cellerna kan utsättas för ljusstimuleringar. Ett datorprogram bestämmer vilka modifieringar som ska göras i den kemiska eller ljusa miljön enligt cellernas observerade beteende och syftet med experimentet. Datorn hanterar också insamlingen av bilder med mikroskop och deras analys, för att kvantifiera de cellulära svaren i realtid.

I den första artikeln, forskarna från Pasteur-institutet och från två grupper vid IST Österrike har använt optogenetik för att aktivera uttrycket av en gen genom att exponera celler för ljus. Ett fluorescerande protein används för att mäta mängden producerat protein. En kontrollant, använda en modell av systemet, kan sedan fatta beslut i realtid om vilka dynamiska störningar som ska tillämpas baserat på det förväntade framtida beteendet hos cellerna. Tack vare de datorprogram som skapats av forskarna, de kan kontrollera varje cell individuellt på olika sätt, eller skapa virtuell kommunikation mellan flera celler, som cirkulerar meddelanden i en lätt omkonfigurerbar ordning. " Vi har lyckats bygga en plattform som tillåter oss att designa kretsar som är delvis biologiska och delvis virtuella. De virtuella delarna av dessa kretsar kan modifieras godtyckligt för att snabbt skapa och utforska cellulära beteenden, även utöver vad som är biologiskt möjligt, säger Jakob Ruess, medförstaförfattare till den första artikeln.

I den andra artikeln, Grégory Batt, chef för InBio-enheten och medförfattare med Pascal Hersen från CNRS/Paris Diderot University förklarar hur de lyckades placera ett cellulärt system i en instabil konfiguration:"Vi designade ett datorprogram som syftar till att tvinga cellerna att ta binära beslut slumpmässigt. Att göra detta, cellerna drivs till ett område av instabilitet – som klättrare på en bergsryggslinje – och de lämnas sedan att utvecklas fritt mot en av de två möjliga stabila konfigurationerna. Oväntat, vi observerade att en given stimulering, om det är rätt valt, var kapabel att ta grupper av olika celler till området för instabilitet och hålla dem där. Dessa resultat kan hjälpa till att få en tydligare förståelse för hur cellpopulationer kollektivt fattar robusta beslut utan individuell samordning."

De vetenskapliga framstegen som beskrivs i dessa artiklar möjliggjordes av en allians mellan två discipliner som idag kompletterar varandra:biologi och digitala vetenskaper. Nära samarbete mellan Pasteurinstitutet och Inria, i form av InBio join forskargruppen, vars syfte är att utveckla ett metodiskt ramverk för att uppnå en kvantitativ förståelse av hur cellulära processer fungerar, är den perfekta illustrationen av värdet av tvärvetenskaplig forskning som kombinerar experimentella metoder med metodutveckling.