Sistemas de CAD na microbiologia

Os sistemas de CAD que tornaram possível fabricar circuitos integrados com milhões de transístores poderá brevemente ser se utilizado nas ciências biológicas, investigadores do departamento de Energia dos EUA através JBEI – “the Joint BioEnergy Institute” liderada pela “Berkeley Lab” desenvolveram modelos CAD e simulações de moléculas de ARN que tornam possível o engenheiro componentes biológicos ou dispositivos de ARN controlar funções genética em micróbios, permitindo um enorme potencial para microbiologia baseando na produção sustentável de biocombustíveis avançados, através de plásticos biodegradáveis, drogas terapêuticas e uma série de outros bens agora derivados de petroquímicos. Como os sistemas biológicos exibem uma grande complexidade funcional em múltiplas escalas e a grande questão que se vêm sido colocadas é se as ferramentas serem eficazes a nível do desenho técnico e que possam ser criados para aumentar a dimensão e complexidades dos sistemas microbiológicos que possa ir de encontro às necessidades específicas de um técnico. O trabalho desenvolvido pelo JBEI têm como base estabelecer um desenvolvimento para plataformas de sistemas de CAD, para que esses possam a vir projectar sistemas complexos e serem capazes de controlar ARN que possam processar a informação celular e voltar a programar a função de um grande número de genes, havendo assim um quadro para estudar as funções ARN demonstrando o potencial da utilização de modelos bioquímicos e biofísicos que desenvolvem desenhos intencionais rigorosos com estratégias de engenharia para a microbiologia.

A biologia sintética é um campo cientifico emergente em que novos dispositivos biológicos tais como moléculas, células ou circuitos genéticos, são desenhados e construídos, ou já existentes sistemas biológicos, tais como micróbios, são redesenhados e/ou construído, um dos principais objectivos pode ser produção de produtos químicos valiosos a partir de matérias-primas simples, baratas e renováveis ​​de uma forma sustentável. Tal como acontece com outras disciplinas de engenharia os sistemas de CAD para simulações e concepção de funções globais com base em comportamentos de componentes e modelos locais são essenciais para a construção de dispositivos complexos biológicos, mas até o momento os sistema de CAD para a modelação de funções e ferramentas de simulação para a biologia têm sido muito limitadas.
Identificar os parâmetros de relevantes do desenho CAD e definir os domínios sobre os quais os comportamentos desses componentes esperados são exercidas foram etapas fundamentais no desenvolvimento de sistemas CAD noutras disciplinas de engenharia. Isto para se ser aplicada uma estratégia generalizável ​​das engenharias para a gestão complexa da funcionalidade para desenvolver ferramentas sistemas de CAD e de simulação na modelação e na concepção de sistemas baseados em controlo genético de ARN. Em última análise existe um desenvolvimento de plataformas de CAD para a biologia sintética que rivaliza com as ferramentas encontradas nas disciplinas de engenharia mais estabelecidas e assim pode-se ver um avanço na técnica e concepção na modelação CAD na microbiologia.

Determinados investigadores focam a abordagem do desenho intencional das sequências de ARN que são formas tridimensionais complicadas, como as ribozimas. As proteínas, e ribozimas podem ligar metabólitos que catalisam as reacções e agem para controlar a expressão de genes em bactérias como em leveduras e células de mamíferos, assim usando modelos mecanizados de funções bioquímicas e biofísicas cinética para simulações de ARN nos dispositivos como a ribozima e podem quantitativamente ser previsíveis se forem montados a partir de componentes que consigam ser caracterizados “in vitro”, “in vivo” e “in silico”, tendo que depois estes desenhos ser verificados através dos modelos e estratégias de desenhos que podem ser previamente parametrizados e verificados através da construção de dispositivos das funções genética para determinadas bactéria previamente conhecidas e testadas, esses dispositivos podem mostraram uma excelente concordância com uma grande percentagem de correlação entre os níveis de expressão dos genes preditos e medidos.

Talvez posteriormente será necessário formular modelos que sejam sofisticados o suficiente para capturar os detalhes necessários para simular as funções do sistema, mas simples o suficiente para poderem ser enquadradas em termos de características de componentes mensuráveis ​​e ajustáveis ou variáveis ​​ao desenho. Podendo as variáveis do desenho de modelação como parte do sistema podem ser modificados de maneira previsível, da mesma forma que um engenheiro químico pode ajustar a operação de uma planta química, girando botões para que o fluxo de fluido através de válvulas seja controlável, no caso dos sistemas de CAD o botão de avanço são representados por termos específicos da cinética e movimentações e manipulação da ARN e da catálise das ribzima, e os esses modelos são necessários para indicarem como uma combinação dessas transforma o modelo e vai afectar a função geral do sistema.

Os investigadores da JBEI estão agora a utilizar os seus modelos CAD nos seus ARN para simulações de modelos, bem como os dispositivos como ribozima que são construíram para ajudá-los através das vias metabólicas aumentar a produção de combustível microbial. A chave para o sucesso JBEI será a engenharia de micróbios que podem digerir biomassa e sintetizar a partir dos combustíveis açúcares de transporte que pode substituir a gasolina, gasóleo e combustíveis para aviação nos motores actuais de hoje.

Para além de biocombustíveis avançados também se pode observar para os micróbios de engenharia para produzir produtos químicos a partir de matérias-primas renováveis, que são difíceis de produzir de uma forma barata e com alto rendimento utilizando tecnologia química tradicional orgânica, enquanto os modelos de ARN e simulações desenvolvidas no JBEI até à data estão longe de ser um verdadeiro sistema de CAD dedicado a ARN, havendo assim uma maior acessibilidade a investigadores que queiram fazer e participar activamente neste tipo de modelos e simulações que não pode querer se tornar-se especialistas neste tipo de sistemas de controlo de ARN, mas que ainda assim gostem de usar a este tipo de abordagem aos dispositivos de ARN nos casos de estudo.

Podendo assim através de abordagens de engenharia ARN esperar avanços na produção microbiana de biocombustíveis avançados, e podendo ajudar na programação de funções de programação em sistemas de mamíferos e células, e no controlo genético que poderá aumentar a segurança e eficácia das terapias da medicina regenerativa que usam células-tronco cultivadas para tratar doenças como diabetes e Parkinson.