Browsing by Author "Federici, Fernán"

Now showing 1 - 20 of 25
  • Thumbnail Image
    Item
    Accessible LAMP-Enabled Rapid Test (ALERT) for Detecting SARS-CoV-2
    (2021) Bektaş, Ali ; Covington, Michael F. ; Aidelberg, Guy ; Arce, Anibal ; Matute, Tamara ; Núñez, Isaac; Walsh, Julia ; Boutboul, David ; Delaugerre, Constance ; Lindner, Ariel B. ; Federici, Fernán ; Jayaprakash, Anitha D.
    The coronavirus disease 2019 (COVID-19) pandemic has highlighted bottlenecks in large-scale, frequent testing of populations for infections. Polymerase chain reaction (PCR)-based diagnostic tests are expensive, reliant on centralized labs, can take days to deliver results, and are prone to backlogs and supply shortages. Antigen tests that bind and detect the surface proteins of a virus are rapid and scalable but suffer from high false negative rates. To address this problem, an inexpensive, simple, and robust 60-minute do-it-yourself (DIY) workflow to detect viral RNA from nasal swabs or saliva with high sensitivity (0.1 to 2 viral particles/mu L) and specificity (>97% true negative rate) utilizing reverse transcription loop-mediated isothermal amplification (RT-LAMP) was developed. ALERT (Accessible LAMP-Enabled Rapid Test) incorporates the following features: (1) increased shelf-life and ambient temperature storage, compared to liquid reaction mixes, by using wax layers to isolate enzymes from other reagents; (2) improved specificity compared to other LAMP end-point reporting methods, by using sequence-specific QUASR (quenching of unincorporated amplification signal reporters); (3) increased sensitivity, compared to methods without purification through use of a magnetic wand to enable pipette-free concentration of sample RNA and cell debris removal; (4) quality control with a nasopharyngeal-specific mRNA target; and (5) co-detection of other respiratory viruses, such as influenza B, by multiplexing QUASR-modified RT-LAMP primer sets. The flexible nature of the ALERT workflow allows easy, at-home and point-of-care testing for individuals and higher-throughput processing for labs and hospitals. With minimal effort, severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2)-specific primer sets can be swapped out for other targets to repurpose ALERT to detect other viruses, microorganisms, or nucleic acid-based markers.
  • Thumbnail Image
    Item
    An Engineered Device for Indoleacetic Acid Production under Quorum Sensing Signals Enables Cupriavidus pinatubonensis JMP134 To Stimulate Plant Growth
    (2018) Zuniga, Ana; de la Fuente, Francisco; Federici, Fernán; Lionne, Corinne; Bonnet, Jerome; de Lorenzo, Victor; Gonzalez, Bernardo
  • Thumbnail Image
    Item
    Artificial Symmetry-Breaking for Morphogenetic Engineering Bacterial Colonies
    (2017) Núñez Quijada, Isaac Natán; Matute Torres, Tamara Francisca; Del Valle, Ilenne D.; Kan, Anton; Choksi, Atri; Endy, Drew; Haseloff, Jim; Rudge, Timothy; Federici, Fernán
    Morphogenetic engineering is an emerging field that explores the design and implementation of self-organized patterns, morphologies, and architectures in systems composed of multiple agents such as cells and swarm robots. Synthetic biology, on the other hand, aims to develop tools and formalisms that increase reproducibility, tractability, and efficiency in the engineering of biological systems. We seek to apply synthetic biology approaches to the engineering of morphologies in multicellular systems. Here, we describe the engineering of two mechanisms, symmetry-breaking and domain-specific cell regulation, as elementary functions for the prototyping of morphogenetic instructions in bacterial colonies. The former represents an artificial patterning mechanism based on plasmid segregation while the latter plays the role of artificial cell differentiation by spatial colocalization of ubiquitous and segregated components. This separation of patterning from actuation facilitates the design-build-test-improve engineering cycle. We created computational modules for CellModeller representing these basic functions and used it to guide the design process and explore the design space in silico. We applied these tools to encode spatially structured functions such as metabolic complementation, RNAPT7 gene expression, and CRISPRi/Cas9 regulation. Finally, as a proof of concept, we used CRISPRi/Cas technology to regulate cell growth by controlling methionine synthesis. These mechanisms start from single cells enabling the study of morphogenetic principles and the engineering of novel population scale structures from the bottom up.
  • Thumbnail Image
    Item
    Characterization of Intrinsic Properties of Promoters
    (2016) Rudge, Timothy; Brown, J.; Federici, Fernán; Dalchau, N.; Phillips, A.; Ajioka, J.; Haseloff, J.
  • Thumbnail Image
    Item
    Desarrollo de un sistema modular de regulación de procesos genéticos y metabólicos vía CRISPRi para el control del comportamiento celular
    (2017) Matute Torres, Tamara Francisca; Federici, Fernán; Rudge, Timothy; Pontificia Universidad Católica de Chile. Escuela de Ingeniería
    TALEN y CRISPR/Cas9 han revolucionado la ingeniería genética, permitiendo la regulación de cualquier gen de interés en el genoma de organismos. CRISPR interferencia (CRISPRi) es un método desarrollado a partir de CRISPR/Cas9 que permite controlar la expresión de genes, mediante la generación de un complejo que reconoce un sitio específico del ADN e interfiere con la unión de la ARN polimerasa y/o la elongación transcripcional (Larson et al., 2013). El sistema CRISPRi se compone de una proteína Cas9 sin actividad endonucleasa, llamada dead Cas9 “dCas9”, y un ARN guía (sgRNA) que tiene la función de asociar el complejo formado con el sitio específico que se desea regular. El sgRNA se compone de un esqueleto invariable al 3´, que interactúa con dCas9, y una zona de 20 nucleótidos al 5´ que interactúa con el ADN y puede ser diseñada de manera arbitraria por el usuario. En este trabajo se exploró la modularizacíón y caracterización del sistema CRISPRi para ser utilizado en la regulación temporal y espacial de procesos biológicos en poblaciones bacterianas. A través del diseño de diversos sgRNAs y elementos funcionales de ADN modulares, se logró la regulación del comportamiento celular tanto en cultivos líquidos como en cultivos sólidos. Posteriormente, se exploró la regulación de procesos celulares en subdominios espaciales en el interior de colonias bacterianas. Finalmente, se utilizó el sistema CRISPRi para la regulación del crecimiento de células localizadas en un grupo definido y controlado en el interior de colonias bacterianas. Estos resultados en conjunto mostraron la exitosa implementación modular y combinatorial del sistema CRISPRi para la regulación espacial y temporal de procesos biológicos en un sistema multicelular.
  • Thumbnail Image
    Item
    Diseño e implementación de funciones biológicas elementales en colonias bacterianas para la ingeniería de morfogénesis
    (2017) Núñez Quijada, Isaac Natán; Federici, Fernán; Rudge, Timothy; Pontificia Universidad Católica de Chile. Escuela de Ingeniería
    La ingeniería biológica se constituye sobre la dicotomía entre el enfoque estructurado y determinista de la ingeniería, y la naturaleza autoorganizada y estocástica de los sistemas biológicos que utiliza. La ingeniería morfogenética se define en medio de este conflicto, aprovechando el potencial de la autoorganización para formar sistemas altamente estructurados, mediante la manipulación de las unidades que los componen y definen. Por otra parte, la biología sintética pretende crear herramientas y formalismos para mejorar la trazabilidad y capacidad de diseño del sustrato biológico. En esta tesis se exploran estas dos áreas para crear una plataforma de prototipado de funciones morfogéneticas, que permita tanto estudiar sus principios como diseñar estructuras de nivel superior a partir de la programación de una célula fundadora. Para este fin, se propone desacoplar la morfogénesis en funciones elementales modulares, como lo son la ruptura de simetría y la regulación celular dominio específica. Concretamente, se desarrolló un sistema genético en dos capas: una formadora de patrones, fundamentada en la segregación de instrucciones celulares, y otra capaz de modificar el comportamiento celular en base a la interacción con los componentes co-localizados de la primera capa. Estas funciones fueron incluidas como módulos computacionales en CellModeller, lo que permitió explorar in silico su funcionamiento y guiar el diseño. Este enfoque de desacoplamiento y exploración computacional, unido a la inclusión de un sistema modular y combinatorial de ensamblaje de ADN, facilitaron el ciclo de “diseño, fabricación y testeo” de funciones morfogenéticas. Para poder aplicar estas herramientas, en primer lugar, se testeó y estableció su funcionamiento de manera independiente. Luego, se prototiparon funciones simples como “expresión genética dominio específica” mediante RNAPT7 y complementación metabólica. Finalmente, como prueba de concepto, se utilizó un sistema CRISPRi capaz de regular la tasa de crecimiento celular para modificar la morfología de las colonias bacterianas.
  • Thumbnail Image
    Item
    Engineering multicellular domains in M. polymorpha from internal phytohormone gradients
    (2022) Cerda Rojas, Ariel; Federici, Fernán; Pontificia Universidad Católica de Chile. Facultad de Ciencias Biológicas. Departamento Genética Molecular y Microbiología
    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.
  • Thumbnail Image
    Item
    Genetic tool development in marine protists: emerging model organisms for experimental cell biology
    (2020) Faktorová, Drahomíra; Nisbet, R. Ellen R.; Fernández Robledo, José A.; Casacuberta, Elena; Sudek, Lisa; Allen, Andrew E.; Ares, Manuel, 1955-; Federici, Fernán; Jorge Ibañez, Jorge; Dassow, Peter von
  • Thumbnail Image
    Item
  • Thumbnail Image
    Item
    Herramientas de libre acceso para la detección de secuencias específicas en ADN ambiental
    (2023) Matute Torres, Tamara Francisca; Federici, Fernán; Ramírez Sarmiento, César Antonio; Pontificia Universidad Católica de Chile. Escuela de Ingeniería
    La conservación de los recursos naturales y la diversidad biológica representa un desafío urgente a abordar a nivel mundial. Dentro de los grandes problemas que afectan actualmente a la biodiversidad está la presencia de especies exóticas invasoras (EEI) en los ecosistemas naturales. Este factor no solo determina un gran deterioro en la diversidad biológica y daño ecosistémico, sino que también se traduce en importantes pérdidas económicas y amenazas zoonóticas. Dado que las posibilidades de controlar una especie invasora una vez que ha colonizado un lugar se vuelven escasas, las recomendaciones a nivel internacional apuntan a estrategias de monitoreo temprano como la opción más económica y efectiva que permite ejecutar planes anticipados de prevención. Sin embargo, una de las principales barreras en el control y contención de las EEI es la inexistencia de sistemas de monitoreo adecuados y la dificultad de movilizar recursos para su ejecución. Es por esto, que urge la necesidad de crear sistemas de monitoreo económicos, rápidos y eficientes que permitan una temprana identificación de EEI en terreno. En este trabajo se presenta el desarrollo de recursos biológicos, hardware y software de libre acceso para el monitoreo de ADN ambiental en ecosistemas hídricos, enfocado principalmente en la detección de Castor Canadensis. Esto incluye el desarrollo de herramientas moleculares accesibles localmente, la elaboración y optimización de reacciones LAMP caseras y a bajo costo, la selección de targets y diseño de primers específicos para mejorar el desempeño de las reacciones con muestras ambientales, la validación de ensayos LAMP para la detección de Castor Canadensis, y la elaboración de equipamiento y software de libre acceso para el registro y análisis de señales fluorescentes. Los resultados de esta tesis demuestran la detección molecular de ADN de Castor Canadensis a bajo costo y de manera descentralizada gracias a los insumos producidos de manera local y el desarrollo de herramientas de libre acceso de hardware y software. Además, el desempeño de estas reacciones fue comparable con los kits comerciales en términos de sensibilidad y especificidad, constituyéndose como una alternativa más económica para el diagnóstico molecular. Se espera continuar con la optimización y evaluación, tanto de las reacciones LAMP como el equipamiento, con muestras ambientales, lo que podría permitir avanzar en xii el desarrollo y aplicabilidad de las técnicas de detección molecular en terreno, la vigilancia epidemiológica y/o la conservación de especies.
  • Thumbnail Image
    Item
    Ingeniería de patrones autoorganizados complejos en poblaciones celulares creciendo en superficie
    (2023) Núñez Quijada, Isaac Natán; Federici, Fernán; Ramírez Sarmiento, César Antonio; Pontificia Universidad Católica de Chile. Escuela de Ingeniería
    La organización espacial de tipos celulares coordinados desempeña un papel crítico en el funcionamiento de los sistemas biológicos y la aparición de propiedades emergentes de mayor nivel. Esta estructuración ocurre a través de procesos que operan a diferentes escalas, involucrando la integración de señales locales y globales que establecen una relación entre el nivel micro y macro. Las aproximaciones clásicas para comprender la organización multicelular están restringidas a la capacidad de análisis de los sistemas biológicos existentes en la naturaleza. Sin embargo, debido al elevado número de componentes y la complejidad de sus interacciones, resulta difícil establecer reglas generales que gobiernen este proceso. La biología sintética plantea un enfoque alternativo para abordar el estudio de la organización multicelular. Este enfoque busca explorar los principios y mecanismos fundamentales de manera constructiva (bottom-up) mediante la creación y estudio de sistemas artificiales mínimos y altamente trazables. En este trabajo se presenta el desarrollo de un sistema modular, tanto a nivel de hardware como biológico, para el estudio y control de la organización de estados en arreglos celulares que surge de la integración de procesos biológicos de interacción local y global. Para ello, se estableció el modelo de Ising como marco conceptual capaz de representar estos procesos, y la utilización de colonias de E.coli como arreglos celulares de fácil manipulación experimental y genética. Se desarrolló un sistema de ensamblaje de ADN eficiente, recursivo y combinatorial, así como una librería de recursos genéticos modulares para la elaboración de unidades transcripcionales, regulación optogenética e integración al genoma. Mediante estos recursos fue posible elaborar redes genéticas sintéticas (SGN) que capturan las propiedades del modelo de Ising. Estos diseños comprenden estados celulares de expresión genética biestable, que son determinados por efecto de un acoplamiento local basado en quorum sensing y la influencia de una señal externa mediada por regulación optogenética. Esta representación incluye de manera explícita el “campo externo” a través de una señal lumínica, que constituye un control de fácil manipulación sobre la organización del sistema. Con el fin de registrar la dinámica de estos arreglos celulares y efectuar su control genético mediado por luz, se desarrolló un equipo modular y especializado. Este demostró ser efectivo para recopilar datos de alta calidad y rendimiento sobre el crecimiento y la expresión genética de colonias bacterianas, así como en su regulación optogenética. El equipamiento diseñado es de código abierto y bajo costo, lo que facilita su adaptación y programación para llevar a cabo diversos regímenes experimentales según los requerimientos específicos de la investigación. En su conjunto, el sistema experimental desarrollado constituye una plataforma simple, asequible y versátil para estudiar fenómenos complejos de organización celular de manera trazable. Estos recursos permitieron avanzar en el diseño de un sistema biológico cuya autoorganización puede ser dirigida mediante el control de una señal de fácil manipulación. Se espera que esta plataforma facilite el estudio del modelo de Ising como formalismo para la ingeniería de patrones espaciales complejos, fundados en acoplamiento celular local y una señal de control externa homogénea. En términos prácticos, se espera que estas herramientas contribuyan a la comprensión de los principios que subyacen la organización multicelular y abran paso a nuevos paradigmas en el diseño de tejidos, órganos, biomateriales, biopelículas y bioprocesos
  • Thumbnail Image
    Item
    Intercellular adhesion promotes clonal mixing in growing bacterial populations
    (2018) Kan, Anton; Del Valle, Ilenne; Rudge, Timothy; Federici, Fernán; Haseloff, Jim
  • No Thumbnail Available
    Item
    Loop assembly: a simple and open system for recursive fabrication of DNA circuit
    (2019) Pollak, Bernardo; Cerda, Ariel; Delmans, Mihails; Álamos, Simón; Moyano, Tomás; West, Anthony; Gutiérrez, Rodrigo A.; Patron, Nicola J.; Federici, Fernán; Haseloff, Jim
    High-efficiency methods for DNA assembly have enabled the routine assembly of syntheticDNAs of increased size and complexity. However, these techniques require customization,elaborate vector sets or serial manipulations for the different stages of assembly. We have developed Loop assembly based on a recursive approach to DNA fabrication. Thesystem makes use of two Type IIS restriction endonucleases and corresponding vector sets forefficient and parallel assembly of large DNA circuits. Standardized level 0 parts can be assem-bled into circuits containing 1, 4, 16 or more genes by looping between the two vector sets.The vectors also contain modular sites for hybrid assembly using sequence overlap methods. Loop assembly enables efficient and versatile DNA fabrication for plant transformation. Weshow the construction of plasmids up to 16 genes and 38 kb with high efficiency (> 80%).We have characterized Loop assembly on over 200 different DNA constructs and validatedthe fidelity of the method by high-throughput Illumina plasmid sequencing. Our method provides a simple generalized solution for DNA construction with standardizedparts. The cloning system is provided under an OpenMTA license for unrestricted sharing andopen access.
  • Thumbnail Image
    Item
    Low cost and open source multi-fluorescence imaging system for teaching and research in biology and bioengineering
    (2017) Núñez Quijada, Isaac Natán; Matute Torres, Tamara Francisca; Herrera, Roberto; Keymer, Juan MI.; Marzullo, Timothy; Rudge, Timothy; Federici, Fernán
    The advent of easy-to-use open source microcontrollers, off-the-shelf electronics and customizable manufacturing technologies has facilitated the development of inexpensive scientific devices and laboratory equipment. In this study, we describe an imaging system that integrates low-cost and open-source hardware, software and genetic resources. The multi-fluorescence imaging system consists of readily available 470 nm LEDs, a Raspberry Pi camera and a set of filters made with low cost acrylics. This device allows imaging in scales ranging from single colonies to entire plates. We developed a set of genetic components (e.g. promoters, coding sequences, terminators) and vectors following the standard framework of Golden Gate, which allowed the fabrication of genetic constructs in a combinatorial, low cost and robust manner. In order to provide simultaneous imaging of multiple wavelength signals, we screened a series of long stokes shift fluorescent proteins that could be combined with cyan/green fluorescent proteins. We found CyOFP1, mBeRFP and sfGFP to be the most compatible set for 3-channel fluorescent imaging. We developed open source Python code to operate the hardware to run time-lapse experiments with automated control of illumination and camera and a Python module to analyze data and extract meaningful biological information. To demonstrate the potential application of this integral system, we tested its performance on a diverse range of imaging assays often used in disciplines such as microbial ecology, microbiology and synthetic biology. We also assessed its potential use in a high school environment to teach biology, hardware design, optics, and programming. Together, these results demonstrate the successful integration of open source hardware, software, genetic resources and customizable manufacturing to obtain a powerful, low cost and robust system for education, scientific research and bioengineering. All the resources developed here are available under open source licenses.
  • No Thumbnail Available
    Item
    Method to produce sterile male flowers and partenocarpic fruits by genetic silencing, associated sequences and vectors containing said sequences (Australia, concesión n° AU 2007237251)
    Arce Johnson, Jorge Patricio; Poupin Swinburn, María Josefina; Medina, Consuelo; Cadavid, Agnes; Federici, Fernán
  • No Thumbnail Available
    Item
    Method to produce sterile male flowers and partenocarpic fruits by genetic silencing, associated sequences and vectors containing said sequences (Canadá, concesión n° 2,615,249)
    Arce Johnson, Jorge Patricio; Poupin Swinburn, María Josefina; Medina, Consuelo; Cadavid, Agnes; Federici, Fernán
  • No Thumbnail Available
    Item
    Method to produce sterile male flowers and partenocarpic fruits by genetic silencing, associated sequences and vectors containing said sequences (China, concesión n° ZL 200710169157.7)
    Arce Johnson, Jorge Patricio; Poupin Swinburn, María Josefina; Medina, Consuelo; Cadavid, Agnes; Federici, Fernán
  • No Thumbnail Available
    Item
    Method to produce sterile male flowers and partenocarpic fruits by genetic silencing, associated sequences and vectors containing said sequences (USA, concesión n° 7,994,397)
    Arce Johnson, Jorge Patricio; Poupin Swinburn, María Josefina; Medina, Consuelo; Cadavid, Agnes; Federici, Fernán
  • No Thumbnail Available
    Item
  • Thumbnail Image
    Item
    Open platform for the implementation of RNA sensing reactions in cell-free systems
    (2021) Arce Medina, Aníbal Andrés; Federici, Fernán; Pontificia Universidad Católica de Chile. Facultad de Ciencias Biológicas
    La biología sintética busca el desarrollo de funciones programables y predecibles en sistemas biológicos. Uno de los recientes avances en esta área son los toehold swtiches: reguladores de la expresión genética diseñados denovo y que permiten la traducción de un gen de forma gatillada por la interacción con un RNA trigger" de secuencia especifica. Por otro lado, los sistemas de expresión genética libre de células (cell-free) han sido utilizados durante décadas en el campo de la biología molecular y fueron claves en el descubrimiento del código genético. Sin embargo, solo muy recientemente han empezado a utilizarse como una herramienta para la bioingeniería. La expresión de toehold swtiches en sistemas de libre de células generó una plataforma de diagnóstico muy promisoria ya que los sensores de RNA tipo toehold pueden ser liofilizados para su transporte a temperatura ambiente con el objetivo de ser utilizadas en terreno y en zonas remotas. No obstante, a la fecha, estos sensores solamente han sido implementados en sistemas de expresión genética reconstituidos, del tipo PURE (por sus siglas en inglés: Protein expression Using Reconstituted Elements). Los sistemas PURE requieren transporte en fr´ıo (-80 C) desde los proveedores en el hemisferio norte, y son prohibitivamente caros para los usuarios en América Latina.