Oscillatory genetic circuits: new designs and mathematical models

Introduction and motivation: A wide variety of organisms have developed in-ternal biomolecular clocks in order to adapt to cyclic changes of the environment. Clock operation involves genetic networks. These genetic networks have to be mod¬eled in order to understand the underlying mechanism of oscillations and to design new synthetic cellular clocks. This doctoral thesis has resulted in two contributions to the fields of genetic clocks and systems and synthetic biology, generally. The first contribution is a new genetic circuit model that exhibits an oscillatory behav¬ior through catalytic RNA molecules. The second and major contribution is a new genetic circuit model demonstrating that a repressor molecule acting on the positive feedback of a self-activating gene produces reliable oscillations. First contribution: A new model of a synthetic genetic oscillator based on a typical two-gene motif with one positive and one negative feedback loop is pre¬sented. The originality is that the repressor is a catalytic RNA molecule rather than a protein or a non-catalytic RNA molecule. This catalytic RNA is a ribozyme that acts post-transcriptionally by binding to and cleaving target mRNA molecules. This genetic clock involves just two genes, a mRNA and an activator protein, apart from the ribozyme. Parameter values that produce a circadian period in both determin¬istic and stochastic simulations have been chosen as an example of clock operation. The effects of the stochastic fluctuations are quantified by a period histogram and autocorrelation function. The conclusion is that catalytic RNA molecules can act as repressor proteins and simplify the design of genetic oscillators. Second and major contribution: It is demonstrated that a self-activating gene in conjunction with a simple negative interaction can easily produce robust matically validated. This model is comprised of two clearly distinct parts. The first is a positive feedback created by a protein that binds to the promoter of its own gene and activates the transcription. The second is a negative interaction in which a repressor molecule prevents this protein from binding to its promoter. A stochastic study shows that the system is robust to noise. A deterministic study identifies that the oscillator dynamics are mainly driven by two types of biomolecules: the protein, and the complex formed by the repressor and this protein. The main conclusion of this study is that a simple and usual negative interaction, such as degradation, se¬questration or inhibition, acting on the positive transcriptional feedback of a single gene is a sufficient condition to produce reliable oscillations. One gene is enough and the positive transcriptional feedback signal does not need to activate a second repressor gene. At the genetic level, this means that an explicit negative feedback loop is not necessary. Unlike many genetic oscillators, this model needs neither cooperative binding reactions nor the formation of protein multimers. Applications and future research directions: Recently, RNA molecules have been found to play many new catalytic roles. The first oscillatory genetic model proposed in this thesis uses ribozymes as repressor molecules. This could provide new synthetic biology design principles and a better understanding of cel¬lular clocks regulated by RNA molecules. The second genetic model proposed here involves only a repression acting on a self-activating gene and produces robust oscil¬lations. Unlike current two-gene oscillators, this model surprisingly does not require a second repressor gene. This result could help to clarify the design principles of cellular clocks and constitute a new efficient tool for engineering synthetic genetic oscillators. Possible follow-on research directions are: validate models in vivo and in vitro, research the potential of second model as a genetic memory, investigate new genetic oscillators regulated by non-coding RNAs and design a biosensor of positive feedbacks in genetic networks based on the operation of the second model Resumen Introduccion y motivacion: Una amplia variedad de organismos han desarro-llado relojes biomoleculares internos con el fin de adaptarse a los cambios ciclicos del entorno. El funcionamiento de estos relojes involucra redes geneticas. El mo delado de estas redes geneticas es esencial tanto para entender los mecanismos que producen las oscilaciones como para diseiiar nuevos circuitos sinteticos en celulas. Esta tesis doctoral ha dado lugar a dos contribuciones dentro de los campos de los circuitos geneticos en particular, y biologia de sistemas y sintetica en general. La primera contribucion es un nuevo modelo de circuito genetico que muestra un comportamiento oscilatorio usando moleculas de ARN cataliticas. La segunda y principal contribucion es un nuevo modelo de circuito genetico que demuestra que una molecula represora actuando sobre el lazo de un gen auto-activado produce oscilaciones robustas. Primera contribucion: Es un nuevo modelo de oscilador genetico sintetico basado en una tipica red genetica compuesta por dos genes con dos lazos de retroa-limentacion, uno positivo y otro negativo. La novedad de este modelo es que el represor es una molecula de ARN catalftica, en lugar de una protefna o una molecula de ARN no-catalitica. Este ARN catalitico es una ribozima que actua despues de la transcription genetica uniendose y cortando moleculas de ARN mensajero (ARNm). Este reloj genetico involucra solo dos genes, un ARNm y una proteina activadora, aparte de la ribozima. Como ejemplo de funcionamiento, se han escogido valores de los parametros que producen oscilaciones con periodo circadiano (24 horas) tanto en simulaciones deterministas como estocasticas. El efecto de las fluctuaciones es-tocasticas ha sido cuantificado mediante un histograma del periodo y la función de auto-correlacion. La conclusion es que las moleculas de ARN con propiedades cataliticas pueden jugar el misnio papel que las protemas represoras, y por lo tanto, simplificar el diseno de los osciladores geneticos. Segunda y principal contribucion: Es un nuevo modelo de oscilador genetico que demuestra que un gen auto-activado junto con una simple interaction negativa puede producir oscilaciones robustas. Este modelo ha sido estudiado y validado matematicamente. El modelo esta compuesto de dos partes bien diferenciadas. La primera parte es un lazo de retroalimentacion positiva creado por una proteina que se une al promotor de su propio gen activando la transcription. La segunda parte es una interaction negativa en la que una molecula represora evita la union de la proteina con el promotor. Un estudio estocastico muestra que el sistema es robusto al ruido. Un estudio determinista muestra que la dinamica del sistema es debida principalmente a dos tipos de biomoleculas: la proteina, y el complejo formado por el represor y esta proteina. La conclusion principal de este estudio es que una simple y usual interaction negativa, tal como una degradation, un secuestro o una inhibition, actuando sobre el lazo de retroalimentacion positiva de un solo gen es una condition suficiente para producir oscilaciones robustas. Un gen es suficiente y el lazo de retroalimentacion positiva no necesita activar a un segundo gen represor, tal y como ocurre en los relojes actuales con dos genes. Esto significa que a nivel genetico un lazo de retroalimentacion negativa no es necesario de forma explicita. Ademas, este modelo no necesita reacciones cooperativas ni la formation de multimeros proteicos, al contrario que en muchos osciladores geneticos. Aplicaciones y futuras lineas de investigacion: En los liltimos anos, se han descubierto muchas moleculas de ARN con capacidad catalitica. El primer modelo de oscilador genetico propuesto en esta tesis usa ribozimas como moleculas repre¬soras. Esto podria proporcionar nuevos principios de diseno en biologia sintetica y una mejor comprension de los relojes celulares regulados por moleculas de ARN. El segundo modelo de oscilador genetico propuesto aqui involucra solo una represion actuando sobre un gen auto-activado y produce oscilaciones robustas. Sorprendente-mente, un segundo gen represor no es necesario al contrario que en los bien conocidos osciladores con dos genes. Este resultado podria ayudar a clarificar los principios de diseno de los relojes celulares naturales y constituir una nueva y eficiente he-rramienta para crear osciladores geneticos sinteticos. Algunas de las futuras lineas de investigation abiertas tras esta tesis son: (1) la validation in vivo e in vitro de ambos modelos, (2) el estudio del potential del segundo modelo como circuito base para la construction de una memoria genetica, (3) el estudio de nuevos osciladores geneticos regulados por ARN no codificante y, por ultimo, (4) el rediseno del se¬gundo modelo de oscilador genetico para su uso como biosensor capaz de detectar genes auto-activados en redes geneticas.

Frost tolerance of eight olive cultivars

En este trabajo se estudia la relacion entre la resistencia al frio de 8 variedades de olivo observada en campo y la medida en laboratorio, a partir de la temperatura de congelacion letal. Se observo una correlacion entre el porcentaje de brotes helado y la temperatura de congelacion letal 50%. Las variedades mas resistentes fueron Cornicabra, Arbequina y Picual. Las mas sensibles fue Empeltre.

Calidad semolera y nuevas variantes alélicas prolaminas en variedades indígenas españolas d trigo duro (Triticum Turgidum L. Tell.)

Las prolaminas son las principales proteínas del endospermo de los trigos panaderos que están relacionadas con la calidad panadera. El objetivo de este trabajo es caracterizar gluteninas LMW según la nomenclatura de Liu et al y relacionarlas con la fuerza panadera.

Asociación entre caracteres biométricos y calidad fisiológica en semillas de tomate (Solanum lycopersicum L.)

La clasificación de las semillas de especies olerícolas se realiza principalmente por peso y tamaño, con criterios similares a los aplicados en cereales y leguminosas, en que se asocia positivamente estos atributos físicos con la calidad fisiológica. No obstante lo anterior, en diversas especies de hortalizas la información es escasa y contradictoria al respecto, lo que motiva la realización de la presente investigación. En semillas de tomate (Solanum lycopersicum L.) se determinó el efecto del peso y tamaño sobre la calidad fisiológica expresada como germinación y vigor. Además, se correlacionaron los resultados de las pruebas de evaluación de calidad fisiológica y se describieron variables del crecimiento y desarrollo. Se utilizaron lotes de diferentes variedades de semillas híbridas de cuatro temporadas, producidas en un clima templado cálido con lluvias invernales y estación seca prolongada (32º 54’ y 34° 21´ latitud Sur). Se midió peso y tamaño de semillas, además en dos temporadas se evaluaron las características internas de área y peso de embrión y área de endospermo. Se determinó la calidad de las semillas con la prueba de germinación y según fuera el año de estudio se midió vigor con las pruebas de envejecimiento acelerado, de plantas útiles al trasplante y de plántulas emergidas. Con análisis de imágenes y rayos X se extrajeron datos del tamaño externo e interno de las semillas y plántulas. Los lotes se compararon mediante análisis de varianza y las medias con la prueba de Tukey, la asociación entre dos variables se determinó con correlaciones de Pearson, las variables de peso y tamaño de la semilla y su relación con las pruebas de calidad, se analizaron mediante regresiones múltiples. Se utilizó un nivel de significación de 0,05 de probabilidad. Los resultados indicaron que el tamaño y no el peso de las semillas de tomate, diferenciaron calidad entre lotes en las diversas variedades. La prueba de germinación tuvo una baja sensibilidad para discriminar lotes, además de una escasa correlación con las características físicas de las semillas, cuando hubo asociación, la relación fue débil y negativa. La prueba de vigor de envejecimiento acelerado diferenció lotes y presentó escasa asociación con las características físicas de las semillas. El número de semillas germinadas en la prueba de envejecimiento acelerado se explicó por el efecto del tamaño de las semillas, mientras que las fracciones de descarte se asociaron con el peso de las mismas. La prueba de vigor de plantas útiles al trasplante no discriminó entre lotes. Tuvo una asociación débil con el peso y tamaño de las semillas. El modelo asociado a esta relación explicó con un alto coeficiente de determinación que el peso de la semilla influyó sobre la emergencia temprana, mientras que la relación fue menor y negativa con plantas de mayor desarrollo. La prueba de vigor de plántulas emergidas discriminó lotes de semillas con plántulas de 3 a 5 días después de siembra. Hubo escasa y débil asociación entre esta prueba y las características de peso y tamaño las semillas. El modelo de predicción de plántulas emergidas fue particular en cada temporada, cuando hubo un coeficiente de determinación alto influyó negativamente el peso o tamaño de la semilla. Entre las pruebas de calidad fisiológica evaluadas en semillas de tomate hubo escasas correlaciones significativas. Entre germinación y vigor las correlaciones significativas fueron débiles y sólo se encontraron en algunas temporadas de evaluación. Entre las pruebas de vigor no hubo asociación. En las pruebas de vigor de plantas útiles al trasplante y de plántulas emergidas, los cotiledones alcanzaron el mayor porcentaje de materia seca y se correlacionaron fuertemente con la materia seca total. En la prueba de plántulas emergidas la materia seca de las radículas diferenció parcialmente lotes de semillas al igual que la longitud total y de las radículas. La longitud de la radícula se correlacionó fuertemente con la longitud total de plántulas. ABSTRACT Seed selection for olericultural species is mainly carried out considering weight and size with similar criteria to those applied in cereals and legumes where size and physiological quality are favorably associated. However, information about several species is limited and contradictory regarding the above, leading to the present research. In tomato (Solanum lycopersicum L.) seeds, the effect of weight and size on the physiological quality expressed as germination and vigor was determined. In addition, results of quality evaluation tests were correlated and variables of growth and development were described. Batches of hybrid seeds from four seasons were used. These seeds were produced in a mild warm climate with winter rainfalls and long dry season (32º 54’ and 34° 21´South Latitude). Seed weight and size were determined, additionally internal characteristics such as embryo area and weight as well as endosperm area were evaluated in two seasons. The quality of seeds was established using the germination test and, depending on the year of the study, vigor was measured through accelerated aging tests for plants useful for transplanting and emerged seedlings. Using imaging analysis and X rays, data regarding external and internal size of seeds and seedlings were obtained. Batches were compared through ANOVA and means using Tukey’s test; the association between both variables was determined with Pearson correlations, whereas variables of seed weight and size and their relation to quality tests were analyzed through multiple regressions. A significance level of 0.05 probability was used. Results showed that the size (but not the weight) of tomatoes differentiates quality between batches from several seasons. The germination test was not sensitive enough to discriminate batches in addition to having a limited correlation with the characteristics of seeds, when they were associated, the relation was weak and unfavorable. Vigor test for accelerated aging made the difference between batches and presented low association with physical characteristics of the seeds. The number of germinated seeds in the accelerated aging test was explained by the effect of the seed size, whereas cull fractions were associated with their weight. The vigor test of plants useful for transplanting did not discriminate between batches. The association with seed weight and size was weak. The model associated to this relation explained, with a high coefficient determination, that the seed weight had influence on early emergence, whereas the relation was minor and unfavorable with more developed plants. Vigor test of emerged seedlings discriminated batches of seeds with seedlings of 3 to 5 days after sowing. There was a limited and weak association between this test and the characteristics of seed weight and size. The prediction model for seedlings emerged was particular in each season, when the determination coefficient was high, seed weight and size influenced negatively. Among the physiological quality tests evaluated in tomato seeds, significant correlations were negligible. Between germination and vigor, significant correlations were poor, being only found in some evaluation seasons. There was no association in the vigor tests. In vigor tests for plants useful for transplanting and emerged seedlings, cotyledons reached the highest percentage of dry matter and were strongly correlated with total dry matter. In the test of emerged seedlings, dry matter of radicles partially differentiated batches of seeds as well as total length and radicles. Radicle length was strongly correlated with total seedlings length.

Correlación entre pH y color de la carne durante la fase post mórtem en cerdos diferenciando entre carnes PSE y DFD

Correlación entre pH y color de la carne durante la fase post mórtem en cerdos diferenciando entre carnes PSE y DFD