Biología sintética
Jesús Pla Alonso
Abril 2014
Algunas preguntas para empezar
1. ¿ Cómo se conocen los genomas de los seres vivos ?
2. ¿ Cómo se conoce la función de los genes ?
3. ¿ Qué es la biología sintética ?
4. ¿ Qué es un genoma mínimo y su importancia en
biología ?
5. Algunos ejemplos
Figure 12.1 DNA Sequencing (Part 2)
Secuenciación de Sanger
Much of the following slide material is kindly provided publicly by Dr. David Wishart (UofAlberta)
through the Canadian Bioinformatics Workshop series
Secuenciación DNA – gel electrophoresis. Sistema Sanger
A C G T
~50 years
‘Finished’ human genome sequence
1900
1944
1953
1960’s
1977
1975-79
1986
1995
1999
1990
Rediscovery of Mendel’s genetics
DNA identified as hereditary material
DNA structure
Genetic code
Advent of DNA sequencing
First human genes isolated
DNA sequencing automated
First whole genome
First human chromosome
Human genome project officially begins
Mendel discovers laws of genetics1865
2003
Craig Venter
Capillary Electrophoresis (CE): Secuenciación
automatizada de DNA
G
C
T
A
+
_
+
_
G
C
A
T
G
C
Automated Sequencing
ABI 3700
96 x 700 bases:
± 7 kpb
1981. Primer
sintetizador
automático de DNA
Generación de secuenciadores
Figure 12.1 DNA Sequencing (Part 2)
Pyrosequencing Biochemistry
454 Technology
More 454 Technology
More Pyrosequencing
Generación de secuenciadores
400 kbp
Figure 12.2 Arranging DNA Sequences
Read=pocillo
Es decir, para secuenciar
un genoma, lo troceamos,
secuenciamos cada pieza
pequeñita y las
ensamblamos
Microbial Genomes
Microbial genome sequencing
1995-2000: Mainly pathogenic bacteria
2000-present: Genomes of many food
relevant micro-organisms
- Lactic Acid Bacteria
- Food Spoilage Bacteria
2005:
250 complete genomes
600 million bases
600 thousand proteins
Datos
1. 1990
– 10 $ nucleótido
2. 2001
– 1 $ nucleótido
• El genoma humano tiene 3000 Mbp = 3.000.000 kbp = 3 x 10 9 bp
• El genoma “humano” cuesta 3000 millones dólares
3. 2005
– 0.01 $ nucleótido
• Nuestro genoma puede costar 1000 Euros
• y dentro de unos años …. menos
Medicina
individualizada
Nuevos conceptos
Pangenoma (a veces llamado
supragenoma)
Conjunto de genes de una
determinada especie microbiana,
resultado de la fusión de las
cepas que pertenecen a esa
especie. Comprende un genoma
central (core) y otro dispensable
Metagenoma
Conjunto de genes de una
determinada muestra biológica
Ya no hablamos sólo de genética, hablamos de
genómica
Genética (genómica) funcional
• Eliminar genes y observar función
• Ingeniería genética: deleción genética
Sistemas modelo
• Bacterias
– Escherichia coli
• Hongos
– Saccharomyces cerevisiae
• Gusanos
– Caenorhabditis elegans
• Moscas
– Drosophila melanogaster
• Mamiferos
– Mus musculus
Algunas preguntas para empezar
1. ¿ Cómo se conocen los genomas de los seres vivos ?
– Secuenciación masiva: NGS
• Pirosecuenciación, Fase sólida etc
2. ¿ Cómo se conoce la función de los genes ?
– Usando organismo modelo, eliminando los genes y
comparando
3. ¿ Qué es la biología sintética ?
4. ¿ Qué es un genoma mínimo y su importancia en
biología ?
5. Algunos ejemplos
¿ Qué es ?
Una mezcla de
ingeniería biológica,
genética, química,
biología computacional
… que está orientada
hacia el diseño y
construcción de nuevos
seres biológicos no
encontrados en la
naturaleza
http://www.youtube.com/watch?v=rD5uNAMbDaQ
J. KeaslingV. de Lorenzo
Engineering
Computing
Modeling
Molecular Biology
Evolutionary Genomics
Biotechnology
Origin of Life
Artificial Life
Orthogonal Life
The 3 roots of Synthetic Biology
V. de Lorenzo
Biotecnología
Algunas preguntas para empezar
1. ¿ Cómo se conocen los genomas de los seres vivos ?
– Secuenciación masiva: NGS
• Pirosecuenciación, Fase sólida etc
2. ¿ Cómo se conoce la función de los genes ?
– Usando organismo modelo, eliminando los genes y
comparando
3. ¿ Qué es la biología sintética ?
4. ¿ Qué es un genoma mínimo y su importancia en
biología ?
5. Algunos ejemplos
Concepto de genoma mínimo
Mínimo conjunto de genes necesarios para sustentar una vida
celular. Esto es importante porque
1. Indica los genes esenciales y los que no
2. Define la función de genes
3. Permite tener una célula sintética de partida
4. Permite definir los genes esenciales en cada proceso de la célula
(obtención de energía, traducción etc.)
5. Permite construir células más complejas
Genome content
total genes 2.000 6.300 19.000 14.000 30.000 ?
% genes
bacteria yeast worm fly man
Size (Mb) 2 12 97 137 3.500
junk ?
Table 12.2 Representative Sequenced Genomes
Concepto de genoma mínimo
Mínimo conjunto de genes necesarios para sustentar
una vida celular
Esto es importante porque
1. Indica los genes esenciales y los que no
2. Define la función de genes
3. Permite tener una célula sintética de partida
4. Permite definir los genes esenciales en cada proceso de la
célula (obtención de energía, traducción etc.)
5. Permite construir células más complejas
Figure 12.8 Using Transposon Mutagenesis to Determine the Minimal
Genome
Cuidado !!!
1. ¿ Importa el orden ?
2. ¿ Sólo existe una
combinación ?
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
1
2
3
4
5
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7
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9
10
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
wt m1 m2 m3
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
m4
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
m5
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
m6
Algunas preguntas para empezar
1. ¿ Cómo se conocen los genomas de los seres vivos ?
– Secuenciación masiva: NGS
• Pirosecuenciación, Fase sólida etc
2. ¿ Cómo se conoce la función de los genes ?
– Usando organismo modelo, eliminando los genes y
comparando
3. ¿ Qué es la biología sintética ?
4. ¿ Qué es un genoma mínimo y su importancia en
biología ?
5. Algunos hitos y ejemplos
¿ podemos cambiar una especie por otra ?
Intercambio DNA…………. Science 2007
M. mycoides M. caprilocum
TcR
¿ podemos sintetizar un genoma entero ?
DNA synthesis is getting easier, faster, and cheaper
$0.01
$0.10
$1.00
$10.00
1999 2004 2009 2014
Dollarsperbasepair
Year
$0.15 / bp
Agilent
Síntesis de un genoma entero ……… Science 2008
1/25 1/8 1/4 Whole
42 43 44 45
6kb 72kb 144kb 580kb24kb
50-77B50-77A
Yeast Vector
yeast
yeastE. coli
Chemical
Synthesis
¿ podemos crear una célula con un genoma
ensamblado en una levadura ?
Science 2009
M. mycoides M. caprilocum
Ensamblaje Transferencia
¿ podemos crear una célula con un genoma sintético ?
Science 2010
Science 2010
Fig. 5 Images of M. mycoides JCVI-syn1.0 and WT M. mycoides.
D G Gibson et al. Science 2010;329:52-56
Published by AAAS
Synthetic Biology designing tools for a better world
http://www.youtube.com/watch?v=zIzI7HgkWbw
Genome
compiler
Conclusión
1. Podemos sintetizar genomas si sabemos la secuencia
que deseamos
2. Podemos introducirlos en células de levaduras y en
otras células bacterianas para crear seres biológicos
totalmente sintéticos e idénticos al original
3. ….pero realmente ¿ tienes que ser idénticos ?
Moving life into the digital world and back
Our capacity to build microbes capable of solving human
problems is limited only by our imagination
V. de Lorenzo
Desig
n
Codon
Opt.
Oligo
Synthesis
Synthetic Organism Designer 1.0
SYLICA Synthetic Biology – Bowater Feb 2013
What is Involved in iGEM?
• The team (Students + Advisers) develop a Synthetic
Biology Project that must be completed during the
summer months
• Teams compete to win medals (Gold, Silver or
Bronze) and prizes
• Genetic engineering must be performed within the
project, following quite strict criteria
• Also must involve Human Practices (outreach) and
consideration of ethical issues related to the project
A Global Synthetic Biology Competition for
Undergraduate Students
iGEM: What is it?
SYLICA Synthetic Biology – Bowater Feb 2013
iGEM: International Genetically
Engineered Machines
Organised by the iGEM
Foundation, a spin out
from the MIT in the USA
iGem.org
www.echromi.com
Aplicaciones y problemas
1. Beneficios
– Fuentes de energía
renovables
– Fármacos
– Detoxificación
– Control ambiental
2. Problemas
– Nuevos patógenos
(sinteticos)
– Transferencia
horizontal (GMO)
– Riesgo económicos
– Patentes
– Ética
Metaphor
J. KeaslingV. de Lorenzo
Better than
Nature!
V. de Lorenzo
Syst ems
Engineering:
<20 kb,
dozen or so
component s
Genome
Synt hesis:
>8 mb,
t housands of
component s
4 meters
400 fold
The big challenge: filling the gap between
chemical synthesis and biological meaning
V. de Lorenzo
Por si os interesa
Marzo 2014, Investigación y ciencia. R. Doritt

Biología Sintética

  • 1.
  • 2.
    Algunas preguntas paraempezar 1. ¿ Cómo se conocen los genomas de los seres vivos ? 2. ¿ Cómo se conoce la función de los genes ? 3. ¿ Qué es la biología sintética ? 4. ¿ Qué es un genoma mínimo y su importancia en biología ? 5. Algunos ejemplos
  • 3.
    Figure 12.1 DNASequencing (Part 2)
  • 4.
    Secuenciación de Sanger Muchof the following slide material is kindly provided publicly by Dr. David Wishart (UofAlberta) through the Canadian Bioinformatics Workshop series
  • 5.
    Secuenciación DNA –gel electrophoresis. Sistema Sanger A C G T
  • 6.
    ~50 years ‘Finished’ humangenome sequence 1900 1944 1953 1960’s 1977 1975-79 1986 1995 1999 1990 Rediscovery of Mendel’s genetics DNA identified as hereditary material DNA structure Genetic code Advent of DNA sequencing First human genes isolated DNA sequencing automated First whole genome First human chromosome Human genome project officially begins Mendel discovers laws of genetics1865 2003 Craig Venter
  • 7.
    Capillary Electrophoresis (CE):Secuenciación automatizada de DNA G C T A + _ + _ G C A T G C
  • 8.
    Automated Sequencing ABI 3700 96x 700 bases: ± 7 kpb 1981. Primer sintetizador automático de DNA
  • 9.
  • 10.
    Figure 12.1 DNASequencing (Part 2)
  • 11.
  • 12.
  • 13.
  • 14.
  • 15.
  • 16.
    Figure 12.2 ArrangingDNA Sequences Read=pocillo
  • 17.
    Es decir, parasecuenciar un genoma, lo troceamos, secuenciamos cada pieza pequeñita y las ensamblamos
  • 18.
    Microbial Genomes Microbial genomesequencing 1995-2000: Mainly pathogenic bacteria 2000-present: Genomes of many food relevant micro-organisms - Lactic Acid Bacteria - Food Spoilage Bacteria 2005: 250 complete genomes 600 million bases 600 thousand proteins
  • 19.
    Datos 1. 1990 – 10$ nucleótido 2. 2001 – 1 $ nucleótido • El genoma humano tiene 3000 Mbp = 3.000.000 kbp = 3 x 10 9 bp • El genoma “humano” cuesta 3000 millones dólares 3. 2005 – 0.01 $ nucleótido • Nuestro genoma puede costar 1000 Euros • y dentro de unos años …. menos Medicina individualizada
  • 20.
    Nuevos conceptos Pangenoma (aveces llamado supragenoma) Conjunto de genes de una determinada especie microbiana, resultado de la fusión de las cepas que pertenecen a esa especie. Comprende un genoma central (core) y otro dispensable Metagenoma Conjunto de genes de una determinada muestra biológica
  • 21.
    Ya no hablamossólo de genética, hablamos de genómica
  • 22.
    Genética (genómica) funcional •Eliminar genes y observar función • Ingeniería genética: deleción genética
  • 23.
    Sistemas modelo • Bacterias –Escherichia coli • Hongos – Saccharomyces cerevisiae • Gusanos – Caenorhabditis elegans • Moscas – Drosophila melanogaster • Mamiferos – Mus musculus
  • 24.
    Algunas preguntas paraempezar 1. ¿ Cómo se conocen los genomas de los seres vivos ? – Secuenciación masiva: NGS • Pirosecuenciación, Fase sólida etc 2. ¿ Cómo se conoce la función de los genes ? – Usando organismo modelo, eliminando los genes y comparando 3. ¿ Qué es la biología sintética ? 4. ¿ Qué es un genoma mínimo y su importancia en biología ? 5. Algunos ejemplos
  • 25.
    ¿ Qué es? Una mezcla de ingeniería biológica, genética, química, biología computacional … que está orientada hacia el diseño y construcción de nuevos seres biológicos no encontrados en la naturaleza http://www.youtube.com/watch?v=rD5uNAMbDaQ
  • 26.
  • 27.
    Engineering Computing Modeling Molecular Biology Evolutionary Genomics Biotechnology Originof Life Artificial Life Orthogonal Life The 3 roots of Synthetic Biology V. de Lorenzo
  • 28.
  • 29.
    Algunas preguntas paraempezar 1. ¿ Cómo se conocen los genomas de los seres vivos ? – Secuenciación masiva: NGS • Pirosecuenciación, Fase sólida etc 2. ¿ Cómo se conoce la función de los genes ? – Usando organismo modelo, eliminando los genes y comparando 3. ¿ Qué es la biología sintética ? 4. ¿ Qué es un genoma mínimo y su importancia en biología ? 5. Algunos ejemplos
  • 30.
    Concepto de genomamínimo Mínimo conjunto de genes necesarios para sustentar una vida celular. Esto es importante porque 1. Indica los genes esenciales y los que no 2. Define la función de genes 3. Permite tener una célula sintética de partida 4. Permite definir los genes esenciales en cada proceso de la célula (obtención de energía, traducción etc.) 5. Permite construir células más complejas
  • 31.
    Genome content total genes2.000 6.300 19.000 14.000 30.000 ? % genes bacteria yeast worm fly man Size (Mb) 2 12 97 137 3.500 junk ?
  • 32.
    Table 12.2 RepresentativeSequenced Genomes
  • 33.
    Concepto de genomamínimo Mínimo conjunto de genes necesarios para sustentar una vida celular Esto es importante porque 1. Indica los genes esenciales y los que no 2. Define la función de genes 3. Permite tener una célula sintética de partida 4. Permite definir los genes esenciales en cada proceso de la célula (obtención de energía, traducción etc.) 5. Permite construir células más complejas
  • 34.
    Figure 12.8 UsingTransposon Mutagenesis to Determine the Minimal Genome Cuidado !!! 1. ¿ Importa el orden ? 2. ¿ Sólo existe una combinación ? 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 wt m1 m2 m3 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 m4 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 m5 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 m6
  • 35.
    Algunas preguntas paraempezar 1. ¿ Cómo se conocen los genomas de los seres vivos ? – Secuenciación masiva: NGS • Pirosecuenciación, Fase sólida etc 2. ¿ Cómo se conoce la función de los genes ? – Usando organismo modelo, eliminando los genes y comparando 3. ¿ Qué es la biología sintética ? 4. ¿ Qué es un genoma mínimo y su importancia en biología ? 5. Algunos hitos y ejemplos
  • 36.
    ¿ podemos cambiaruna especie por otra ?
  • 37.
    Intercambio DNA…………. Science2007 M. mycoides M. caprilocum TcR
  • 39.
    ¿ podemos sintetizarun genoma entero ?
  • 40.
    DNA synthesis isgetting easier, faster, and cheaper $0.01 $0.10 $1.00 $10.00 1999 2004 2009 2014 Dollarsperbasepair Year $0.15 / bp Agilent
  • 41.
    Síntesis de ungenoma entero ……… Science 2008 1/25 1/8 1/4 Whole 42 43 44 45 6kb 72kb 144kb 580kb24kb 50-77B50-77A Yeast Vector yeast yeastE. coli Chemical Synthesis
  • 42.
    ¿ podemos crearuna célula con un genoma ensamblado en una levadura ?
  • 43.
    Science 2009 M. mycoidesM. caprilocum Ensamblaje Transferencia
  • 44.
    ¿ podemos crearuna célula con un genoma sintético ?
  • 45.
  • 46.
  • 47.
    Fig. 5 Imagesof M. mycoides JCVI-syn1.0 and WT M. mycoides. D G Gibson et al. Science 2010;329:52-56 Published by AAAS
  • 48.
    Synthetic Biology designingtools for a better world http://www.youtube.com/watch?v=zIzI7HgkWbw Genome compiler
  • 49.
    Conclusión 1. Podemos sintetizargenomas si sabemos la secuencia que deseamos 2. Podemos introducirlos en células de levaduras y en otras células bacterianas para crear seres biológicos totalmente sintéticos e idénticos al original 3. ….pero realmente ¿ tienes que ser idénticos ?
  • 50.
    Moving life intothe digital world and back Our capacity to build microbes capable of solving human problems is limited only by our imagination
  • 51.
  • 52.
  • 53.
    SYLICA Synthetic Biology– Bowater Feb 2013 What is Involved in iGEM? • The team (Students + Advisers) develop a Synthetic Biology Project that must be completed during the summer months • Teams compete to win medals (Gold, Silver or Bronze) and prizes • Genetic engineering must be performed within the project, following quite strict criteria • Also must involve Human Practices (outreach) and consideration of ethical issues related to the project
  • 54.
    A Global SyntheticBiology Competition for Undergraduate Students iGEM: What is it? SYLICA Synthetic Biology – Bowater Feb 2013 iGEM: International Genetically Engineered Machines Organised by the iGEM Foundation, a spin out from the MIT in the USA iGem.org
  • 56.
  • 59.
    Aplicaciones y problemas 1.Beneficios – Fuentes de energía renovables – Fármacos – Detoxificación – Control ambiental 2. Problemas – Nuevos patógenos (sinteticos) – Transferencia horizontal (GMO) – Riesgo económicos – Patentes – Ética
  • 60.
  • 61.
  • 62.
    Syst ems Engineering: <20 kb, dozenor so component s Genome Synt hesis: >8 mb, t housands of component s 4 meters 400 fold The big challenge: filling the gap between chemical synthesis and biological meaning V. de Lorenzo
  • 63.
    Por si osinteresa Marzo 2014, Investigación y ciencia. R. Doritt