Browsing by Author "Rudge, Timothy"
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- ItemAn equilibrium model for ribosome competition(2020) Rogalla, P. S.; Rudge, Timothy; Ciandrini, L.
- ItemArtificial 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, FernánMorphogenetic 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.
- ItemCharacterization of Intrinsic Properties of Promoters(2016) Rudge, Timothy; Brown, J.; Federici, Fernán; Dalchau, N.; Phillips, A.; Ajioka, J.; Haseloff, J.
- ItemCohesive energy and interaction of superparamagnetic aggregates(2020) Rojas, N.; Cerda, M.; Ravasio, Andrea; Rudge, Timothy
- ItemDesarrollo 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 IngenieríaTALEN 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.
- ItemDiseño 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 IngenieríaLa 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.
- ItemIntercellular adhesion promotes clonal mixing in growing bacterial populations(2018) Kan, Anton; Del Valle, Ilenne; Rudge, Timothy; Federici, Fernán; Haseloff, Jim
- ItemLow 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, FernánThe 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.
- ItemMitochondrial nucleoid dynamics perturbation by OPA1 disease-causing mutants(CELL PRESS, 2022) Eisner, Veronica; Macuada, Josefa; Vidal, Gonzalo; Aedo, Geraldine; Cartes-Saavedra, Benjamin; Rudge, Timothy
- ItemNovel Tunable Spatio-Temporal Patterns From a Simple Genetic Oscillator Circuit(2020) Yañez Feliu, Guillermo Antonio; Vidal, G.; Muñoz Silva, M.; Rudge, Timothy
- ItemNovel Tunable Spatio-Temporal Patterns From a Simple Genetic Oscillator Circuit(2020) Yañez Feliu, Guillermo Antonio; Vidal, G.; Muñoz Silva, M.; Rudge, Timothy
- ItemOPA1 disease-causing mutants perturb mitochondrial nucleoid cluster distribution(ELSEVIER, 2022) Eisner, Veronica; Macuada, Josefa; Vidal, Gonzalo; Molina-Riquelme, Isidora; Aedo, Geraldine; Lagos, Daniel; Perez, Nicolas; Rudge, Timothy; Cartes-Saavedra, Benjamin
- ItemOrthogonal intercellular signaling for programmed spatial behavior(2016) Federici, Fernán; Grant, P.; Dalchau, N.; Brown, J.; Rudge, Timothy; Yordanov, B.; Patange, O.; Phillips, A.; Haseloff, J.
- ItemRole of OPA1 ADOA-Causing Mutants in Mitochondrial Nucleoid Distribution(CELL PRESS, 2021) Macuada, Josefa; Aedo, Geraldine; Vidal, Gonzalo; Rudge, Timothy; Cartes Saavedra, Benjamin; Eisner, Veronica
- ItemSemi-Automated Method for Image Analysis of mtDNA Nucleoids Dynamics(CELL PRESS, 2021) Aedo, Geraldine; Macuada, Josefa; Cartes Saavedra, Benjamin; Vidal, Gonzalo; Rudge, Timothy; Eisner, Veronica