Tesis
Engineering multicellular domains in M. polymorpha from internal phytohormone gradients
Autor
Cerda Rojas, Ariel Patricio
Institución
Resumen
Synthetic biology is an emerging multidisciplinary field involving biology, physics, and mathematics in developing abstractions, tools, and models for engineering biological substrate in a reproducible, scalable, and efficient way. One of the most interesting topics corresponds to the programming of emergent behavior and self-organizing processes in multicellular systems, field called morphogenetic engineering. Plants are an attractive platform to study how pattern formation contributes to development and morphogenesis as well as to define engineering morphogenetic principles. An attractive model to address these challenges and reduce the gap between unicellular organisms' handiness and complexity of higher plants is the liverwort Marchantia Polymorpha (Marchantia). Marchantia has promising features for synthetic biology such as a shorter life cycle, dominant haploid gametophyte phase, sequenced genome with low genetic redundancy, easy and robust non-chimeric clonal propagation through the subculture of gemmae, and high-efficiency transformation for genetic manipulation. Performing morphogenetic engineering on plants must constantly face the scarcity of foundational tools and standardized genetic components, and its progress has been delayed by a lack of information about functional DNA elements. In this work, we aim to create elementary functions for pattern engineering in plants through the establishment of artificial domains of cellular states, using internal gradients (phytohormones) as inputs for our pattern-forming circuits. To achieve this, we created new tools for the rapid, modular and combinatorial construction of plant genetic circuits, tested genetic elements to build these circuits and proposed mathematical formalisms for the development of predictive models. All this was done using Marchantia polymorpha and its advantages as a testbed for synthetic biology. La biología sintética es un campo multidisciplinario emergente que involucra a la biología, la ingeniería, y la física en el desarrollo de abstracciones, herramientas y modelos para diseñar sustratos biológicos de manera reproducible, escalable y eficiente. Uno de los temas más desafiantes corresponde a la programación de comportamientos emergentes y procesos de autoorganización en sistemas multicelulares, campo denominado ingeniería morfogenética. Las plantas son una plataforma atractiva para estudiar cómo la formación de patrones contribuye al desarrollo y la morfogénesis, así como para definir principios morfogenéticos. Un modelo atractivo para abordar estos desafíos y reducir la brecha entre la facilidad de manejo de los organismos unicelulares y la complejidad de las plantas superiores es la hepática Marchantia Polymorpha (Marchantia). Marchantia presenta características prometedoras para la biología sintética, como un ciclo de vida más corto, una fase de gametofito haploide dominante, un genoma secuenciado con baja redundancia genética, una propagación clonal sencilla y robusta a través del subcultivo de gemas y una transformación de alta eficiencia para la manipulación genética. La ingeniería morfogenética en plantas debe enfrentar constantemente la escasez de herramientas fundacionales y componentes genéticos estandarizados, y su progreso se ha visto retrasado por la falta de información sobre los elementos funcionales de ADN. En este trabajo, nuestro objetivo es crear funciones elementales para la ingeniería de patrones en plantas mediante el establecimiento de dominios artificiales de estados celulares, utilizando gradientes internos (fitohormonas) como entradas para nuestros circuitos formadores de patrones. Para lograrlo, creamos nuevas herramientas para la construcción rápida, modular y combinatoria de circuitos genéticos en plantas, probamos elementos genéticos para construir estos circuitos y propusimos formalismos matemáticos para el desarrollo de modelos morfogenéticos.
Todo esto se hizo utilizando Marchantia y sus ventajas como chasis para la biología sintética. Primero que todo agradezco a mi laboratorio, especialmente a mi tutor Fernán, quien me proporciono un ambiente lleno de desafíos intelectuales (y amor por Boca). Tengo suerte de haber encontrado ese espacio donde la ciencia siempre estuvo presente en armonía con el arte, la política y la filosofía. Sin lugar a duda ahí he crecido como científico, pero también como persona. Agradezco también a sus integrantes y amigos: Alejo, Isaac, Tamara, Maca, Aníbal, Kevin, Coti, Daniel y Sev.
Agradezco al Dr. Rodrigo Gutiérrez y todas las personas que conocí en su laboratorio. Siempre se aseguraron de hacerme sentir parte de su espacio sin ningún cuestionamiento alguno. Sin su ayuda me hubiera sido imposible desarrollar mi Tesis Doctoral ni desarrollar mi carrera profesional. Agradezco en especial a mis amigos y colegas: Seba, Grace, Tomas, Su, Valentina, Jhonny, Meli, Laura, Karem, Andrea,Eleo, Vivi, Jose, Isas, Pancha, Lili, Alvaro y Jenny.
A mis compañeros de doctorado por su amistad y compañía en todos estos años. Me siento orgulloso de haber compartido con tan grandes (y curiosas) personas. Sin Uds. hubiera perdido el rumbo en tan largo camino. Gracias a Benja, Brenda, Carlitos, Diana, Leo, Marlene y Jose.
A mi familia, principalmente mis padres y hermanas. Por su amor y paciencia. Pero por sobre todo por permitirme, apoyarme y motivarme durante todo este tiempo a seguir haciendo lo que amo.
A mis tatas y tío que ya no están, por todos los abrazos que nos dimos y aquellos que no alcanzamos a darnos. Me hubiera gustado compartir con Uds. la culminación de este proceso.
A mis amigos de la vida, por los momentos de ocio que ayudaron a aliviar la carga e incluso a desarrollar nuevos proyectos (o nuevas obsesiones). Por su apoyo incondicional y su constante motivación a mirar hacia adelante. Gracias a Mati, Carla, Nicole, Dey, Talo, Rolo, Fran, Aliosha, Juanjo, Pablo, Titi, Paula, Chilo, Jocy y Clau,
A mi Rena, mi hijo. Motivación constante para ser mejor persona y papá. Por todo el amor que día a día me entrega y por todos esos momentos que nos quedan por compartir.
A mi Joy, por su compañía incondicional durante todos estos últimos años. Por ser una compañera, una amiga y una excelente científica. Por ser un pilar fundamental de mi vida y por ser una inspiración constante en mi vida. Gracias por tu amor y por Bowie.