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Cloud le da alas al compilador de ADN

Hola, un placer verte por aquí. Te escribe Simón Sánchez y en esta ocasión hablaremos sobre Cloud le da alas al compilador de ADN

¿Imagina poder convertir las bacterias en fábricas moleculares, capaces de producir de todo, desde biocombustibles ecológicos hasta medicamentos personalizados? Esta es la promesa de la biología sintética, que ha logrado un progreso significativo durante la última década, tomando herramientas y conceptos de la física, la ingeniería y la informática para diseñar nuevos sistemas biológicos.

Uno de los principales investigadores en el campo es el profesor Howard Salis. Como profesor asistente en la Penn State University, Salis ha desarrollado una plataforma de software basada en la nube, llamada DNA Compiler, para apoyar los esfuerzos de los investigadores de biología sintética de todo el mundo.

En una entrevista con Calendae, Salis explica que incluso la bacteria más simple tiene más partes móviles que un automóvil, pero la naturaleza no ha proporcionado especificaciones de diseño exactas sobre cómo funcionan esos organismos vivos.

Uno de los principales objetivos de la microbiología y la genómica es la ingeniería inversa de estas especificaciones de diseño. En biología sintética e ingeniería metabólica, el objetivo es diseñar organismos no naturales para resolver los problemas de la humanidad.

«Es un objetivo a largo plazo del mundo reducir la dependencia de las materias primas petroquímicas y producir productos químicos a bajo costo y de forma renovable», dice Salis.

“Además, si sabemos cómo funciona un organismo, podemos tratar enfermedades de manera más eficiente, no solo tratando de encontrar un medicamento en particular que funcione, sino diseñando nuevos medicamentos que capten mecanismos específicos que traten enfermedades muy específicas.

El diseño de secuencias de ADN es un desafío computacional. El número de posibles mutaciones en una secuencia corta de ADN es mayor que el número de átomos en el universo. El grupo de Salis utiliza algoritmos de optimización para identificar una secuencia de ADN que logra un comportamiento específico.

«Aunque el ADN es un código genético universal, una bacteria interpretará su ADN de una manera, pero una célula humana, por ejemplo, interpretará su ADN de manera diferente», explica Salis.

“Hay interacciones físicas y químicas muy específicas en la célula que determinan cómo un organismo lee su ADN y expresa su gen.

«Al conocer esas interacciones físicas y químicas y desarrollar modelos cuantitativos para predecir la fuerza de esas interacciones, podemos diseñar nuevas secuencias de ADN que son interpretadas por organismos, escribiendo así un nuevo código, que luego ejecutará un programa deseado, por lo que es un compilador. «

El compilador de ADN es una colección de modelos biofísicos que predicen los pasos principales en la expresión génica y cómo funcionan todos juntos para controlar el comportamiento de un organismo.

Hace unos cuatro años, Salis y su equipo crearon una interfaz web para el compilador, pero el sitio atrajo a tantos usuarios que el servidor del campus local pronto se sobrecargó. Se tomó la decisión de descargar la computación a los clústeres de computación de Amazon, permitiendo que el modelo subyacente realice sus cálculos en nodos que se activan dinámicamente en respuesta a los envíos de los usuarios.

La pila incluye una interfaz web, escrita en Python, SQLAlchemy para conectarse a la base de datos y algunos scripts JAVA para hacerlo interactivo. En el backend, hay un servidor frontal que crea una API RESTFUL en otro servidor alojado en el clúster de cómputo AWS EC2 de Amazon y el almacenamiento distribuido S3. Los grupos EC2 AutoScale facilitan el escalado dinámico.

Salis dijo que consideraron otras soluciones, pero cuando se inscribieron hace dos años, estaba bastante claro que Amazon tenía la mejor solución con la mejor documentación. El hecho de que Netflix fuera un cliente principal ayudó a disipar los problemas de confiabilidad.

El profesor cita la facilidad de uso y la capacidad de descargar las responsabilidades de gestión como algunas de las razones clave para pasar a una solución basada en la nube. Por supuesto, la escalabilidad ha sido un gran beneficio para los usuarios que ya no tienen que enfrentar largos tiempos de espera y también disfrutan de tiempos de procesamiento más rápidos.

Hasta ahora, más de 6.000 usuarios registrados de MIT, Harvard, Caltech, Stanford, Rice, Imperial College y muchas otras instituciones han utilizado el compilador de ADN para diseñar más de 50.000 secuencias de ADN.

Aunque se utilizan métodos computacionales para diseñar organismos sintéticos, Salis señala que el diseño de un organismo es muy diferente al diseño de un chip semiconductor.

«Diseñar la vida será más como diseñar un transbordador espacial que diseñar un chip», dice Salis. “Un transbordador espacial tiene muchas partes móviles y funciona en condiciones extremas. Si algo sale mal, puede afectar otras cosas «.

Al ritmo actual de progreso, Salis predice que la biotecnología tendrá un control casi completo sobre el metabolismo energético de las células durante los próximos cinco años, lo que conducirá a una capacidad mucho mejor para producir una amplia variedad de sustancias químicas.

«A partir de ahora, si tuviera los recursos financieros, podría rediseñar todo un organismo con el único propósito de producir un biocampo», dice. “Cada nucleótido de ese organismo podría optimizarse con el único propósito de producir un biocampo con tasas de producción muy altas. Esto es muy diferente de lo que la gente ha hecho en el pasado, que es realizar un número limitado de mutaciones en un microbio existente para mejorar la producción «.

UNA papel El detalle de la investigación del equipo aparece en un número reciente de la revista Molecular Systems Biology.

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