Principles of distributed biological computation in non-growing cells : A rational architecture for chemical wires

Toscano Ochoa, Carlos

Principles of distributed biological computation in non-growing cells : A rational architecture for chemical wires

Document Type

Doctoral thesis
Published Version

Author

Toscano Ochoa, Carlos

Director

Garcia Ojalvo, Jordi

Publication Date

2021-04-19

Pages

207 p.

License

Citation

Toscano Ochoa, C. Principles of distributed biological computation in non-growing cells : A rational architecture for chemical wires. 2021. handle: http://hdl.handle.net/10803/671533

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Doctoral program

Programa de doctorat en Biomedicina

Abstract

One of the branches of synthetic biology pursues the creation of a biological computer. Many have successfully implemented simple logic circuits rewiring cellular components. However, these circuits may aggressively compete for energy and resources from the host organism. Distributed computation proposes to split the circuit into smaller pieces and distribute it among several strains sharing information using chemical wires, usually based on quorum sensing systems. Nevertheless, most published research has been focused in the creation of proofs of concept, evading the fundamental question of the design constraints self imposed due to the use of chemical wires. Here we propose a unified and rational wire architecture consisting in three strains: one that emits a communication molecule called biobit, one that degrades and one that senses it. Our model predicts the strain ratio combinations that allow desired behaviours, and shows how a wire is able to work as a timer storing temporal information
Una de las ramas de la biología sintética persigue la creación de un computador biológico. Muchos han implementado con éxito circuitos lógicos simples reconectando componentes celulares. Sin embargo, estos circuitos pueden competir agresivamente por la energía y los recursos del organismo anfitrión. La computación distribuida propone dividir el circuito en partes más pequeñas y distribuirlas entre varias cepas que comparten información utilizando cables químicos, generalmente basados en sistemas de quorum sensing. Sin embargo, la mayoría de las investigaciones publicadas se han centrado en la creación de pruebas de concepto, evitando la cuestión fundamental de las limitaciones de diseño autoimpuestas debido al uso de cables químicos. Aquí proponemos una arquitectura de cables unificada y racional que consta de tres cepas: una que emite una molécula llamada biobit, otra que la degrada y otra que la detecta. Nuestro modelo predice las frecuencias relativas de cepas que permiten los comportamientos deseados y muestra cómo un cable puede funcionar como un temporizador.

Keywords

Computación distribuida, Biología sintética, Wiring problem, Computación biológica, Quorum sensing, Distributed computation, Synthetic biology, Wiring problem, Biological computation