Modeling and simulation of a synthetic genetic circuit that implements a multicelled behavior in a growing microcolony of E. coli

Synthetic Biology is a relatively new discipline, born at the beginning of the New Millennium, that brings the typical engineering approach (abstraction, modularity and standardization) to biotechnology. These principles aim to tame the extreme complexity of the various components and aid the construction of artificial biological systems with specific functions, usually by means of synthetic genetic circuits implemented in bacteria or simple eukaryotes like yeast. The cell becomes a programmable machine and its low-level programming language is made of strings of DNA. This work was performed in collaboration with researchers of the Department of Electrical Engineering of the University of Washington in Seattle and also with a student of the Corso di Laurea Magistrale in Ingegneria Biomedica at the University of Bologna: Marilisa Cortesi. During the collaboration I contributed to a Synthetic Biology project already started in the Klavins Laboratory. In particular, I modeled and subsequently simulated a synthetic genetic circuit that was ideated for the implementation of a multicelled behavior in a growing bacterial microcolony. In the first chapter the foundations of molecular biology are introduced: structure of the nucleic acids, transcription, translation and methods to regulate gene expression. An introduction to Synthetic Biology completes the section. In the second chapter is described the synthetic genetic circuit that was conceived to make spontaneously emerge, from an isogenic microcolony of bacteria, two different groups of cells, termed leaders and followers. The circuit exploits the intrinsic stochasticity of gene expression and intercellular communication via small molecules to break the symmetry in the phenotype of the microcolony. The four modules of the circuit (coin flipper, sender, receiver and follower) and their interactions are then illustrated. In the third chapter is derived the mathematical representation of the various components of the circuit and the several simplifying assumptions are made explicit. Transcription and translation are modeled as a single step and gene expression is function of the intracellular concentration of the various transcription factors that act on the different promoters of the circuit. A list of the various parameters and a justification for their value closes the chapter. In the fourth chapter are described the main characteristics of the gro simulation environment, developed by the Self Organizing Systems Laboratory of the University of Washington. Then, a sensitivity analysis performed to pinpoint the desirable characteristics of the various genetic components is detailed. The sensitivity analysis makes use of a cost function that is based on the fraction of cells in each one of the different possible states at the end of the simulation and the wanted outcome. Thanks to a particular kind of scatter plot, the parameters are ranked. Starting from an initial condition in which all the parameters assume their nominal value, the ranking suggest which parameter to tune in order to reach the goal. Obtaining a microcolony in which almost all the cells are in the follower state and only a few in the leader state seems to be the most difficult task. A small number of leader cells struggle to produce enough signal to turn the rest of the microcolony in the follower state. It is possible to obtain a microcolony in which the majority of cells are followers by increasing as much as possible the production of signal. Reaching the goal of a microcolony that is split in half between leaders and followers is comparatively easy. The best strategy seems to be increasing slightly the production of the enzyme. To end up with a majority of leaders, instead, it is advisable to increase the basal expression of the coin flipper module. At the end of the chapter, a possible future application of the leader election circuit, the spontaneous formation of spatial patterns in a microcolony, is modeled with the finite state machine formalism. The gro simulations provide insights into the genetic components that are needed to implement the behavior. In particular, since both the examples of pattern formation rely on a local version of Leader Election, a short-range communication system is essential. Moreover, new synthetic components that allow to reliably downregulate the growth rate in specific cells without side effects need to be developed. In the appendix are listed the gro code utilized to simulate the model of the circuit, a script in the Python programming language that was used to split the simulations on a Linux cluster and the Matlab code developed to analyze the data.

Development and implementation of a S/W platform to automatically receive and share satellite data

Relazione del lavoro di creazione e implementazione della piattaforma software che sviluppa l’archivio del progetto SATNET. I satelliti universitari hanno un tempo di vista della propria Stazione di Terra di pochi minuti al giorno: SATNET risponde all’esigenza di comunicare con un satellite universitario in orbita bassa per più dei pochi minuti al giorno che una singola Stazione di Terra permette. Questo avviene grazie a una rete di Stazioni di Terra Satellitari collegate da specifiche missioni comuni che mettono in condivisione dati ricevuti da uno o più satelliti, aumentando il rendimento dati/giorno di questi e permettendo una migliore fruizione delle Stazioni di Terra stesse. Il network sfrutta Internet come canale di connessione, e prevede la presenza di un archivio nel quale memorizzare i dati ricevuti, per poi renderne possibile la consultazione e il recupero. Oggetto di questo lavoro di tesi è stato lo sviluppo e l’implementazione di tale archivio: utilizzando un sito web dinamico, il software risponde a tutte le richieste evidenziate nel paragrafo precedente, permettendo a utenti autenticati di inserire dati e ad altri di poterne avere accesso. Il software è completo e funzionante ma non finito, in quanto manca la formulazione di alcune richieste; per esempio non è stato specificato il tipo di informazioni che è possibile caricare in upload, né il tipo di campi richiesti nel modulo di registrazione dei vari utenti. In questi casi sono stati inseriti campi generici, lasciando all’utente la possibilità di modificarli in seguito. Il software è stato dunque concepito come facilmente personalizzabile e modificabile anche da utenti inesperti grazie alla sola lettura della tesi, che rappresenta quindi una vera e propria guida per l’utilizzo, l’installazione, la personalizzazione e la manutenzione della piattaforma software. La tesi evidenzia gli obiettivi e le richieste, mostrando l’aspetto del sito web e le sue funzionalità, e spiega passo per passo il procedimento per la modifica dell’aspetto delle pagine e di alcuni parametri di configurazione. Inoltre, qualora siano necessarie modifiche sostanziali al progetto, introduce i vari linguaggi di programmazione necessari allo sviluppo e alla programmazione web e aiuta l’utente nella comprensione della struttura del software. Si conclude con alcuni suggerimenti su eventuali modifiche, attuabili solo a seguito di un lavoro di definizione degli obiettivi e delle specifiche richieste. In futuro ci si aspetta l’implementazione e la personalizzazione del software, nonché l’integrazione dell’archivio all’interno del progetto SATNET, con l’obiettivo di migliorare e favorire la diffusione e la condivisione di progetti comuni tra diverse Università Europee ed Extra-Europee.

Studio e realizzazione di un "timing circuit" e "output circuit" per pacemaker

Nell'elaborato è stato svolto uno studio su più livelli degli elementi essenziali del pacemaker asincrono secondo la realizzazione circuitale proposta da Wilson Greatbatch nel 1960. Un primo livello ha riguardato l’analisi teorica del circuito. Un secondo livello ha riguardato un’analisi svolta con LTSPICE. Con questo stesso programma, si è analizzato il segnale di temporizzazione e la forma d’onda sul carico al variare del valore di alcuni componenti chiave del circuito. Infine, si è proceduto alla sua realizzazione su breadboard.