Cílem této práce je návrh univerzální programovatelné platformy pro regulaci operonů s využitím měření hladin metabolitů. V první části je uveden přehled mechanismů, které využívají bakterie, společně s alternativami ze syntetické biologie. Jednotlivé role těchto mechanismů jsou vyšetřeny simulacemi fyzikálně relevantních matematických modelů. Ve druhé části jsou uvedeny výhody využití měření metabolitů. Třetí část je pak věnována systémovému návrhu syntetických částí využívajících simultánní transkripce-translace v prokaryotech a měření hladiny metabolitů. V poslední části této práce je pro tyto části vytvořen a validován obecný model.
Anotace v angličtině
The goal of this thesis is to design a versatile and programmable operon regulation platform using metabolic intermediate measurements. In the first part, the regulatory mechanisms implemented by bacteria are reviewed, together with the synthetic biology design alternatives. The roles of these mechanisms are investigated using simulations of physically relevant mathematical models. In the second part, the advantages of using the metabolic measurements are shown. The third part is dedicated to systematic design of transcriptional-translational coupling devices that regulate operon expression using metabolic measurements. In the last section, a corresponding general model is developed and validated.
Cílem této práce je návrh univerzální programovatelné platformy pro regulaci operonů s využitím měření hladin metabolitů. V první části je uveden přehled mechanismů, které využívají bakterie, společně s alternativami ze syntetické biologie. Jednotlivé role těchto mechanismů jsou vyšetřeny simulacemi fyzikálně relevantních matematických modelů. Ve druhé části jsou uvedeny výhody využití měření metabolitů. Třetí část je pak věnována systémovému návrhu syntetických částí využívajících simultánní transkripce-translace v prokaryotech a měření hladiny metabolitů. V poslední části této práce je pro tyto části vytvořen a validován obecný model.
Anotace v angličtině
The goal of this thesis is to design a versatile and programmable operon regulation platform using metabolic intermediate measurements. In the first part, the regulatory mechanisms implemented by bacteria are reviewed, together with the synthetic biology design alternatives. The roles of these mechanisms are investigated using simulations of physically relevant mathematical models. In the second part, the advantages of using the metabolic measurements are shown. The third part is dedicated to systematic design of transcriptional-translational coupling devices that regulate operon expression using metabolic measurements. In the last section, a corresponding general model is developed and validated.
Student provede rešerši dosavadních výsledků, jak teoretických tak experimentálních, charakterizujících efekty dynamických odchylek hladin enzymů na ustálené koncentrace cílových metabolitů.
Student provede systémovou analýzu cílové metabolické cesty se syntetickými prvky v podobě DNA a RNA regulačních částí. V tomto procesu student vyvine fyzicky relevantní modely popisující efekty heterologních prvků na ustálené koncentrace cílových metabolitů a dále provede citlivostní analýzu těchto hodnot.
Student realizuje jeden vybraný návrh v bakteriálních kmenech Escherichia coli. V tomto procesu student nejdříve navrhne experimentální postup jak syntézy DNA, tak získání a zpracování experimentálních dat.
Student validuje systémový model na získáných experimentálních datech.
Zásady pro vypracování
Student provede rešerši dosavadních výsledků, jak teoretických tak experimentálních, charakterizujících efekty dynamických odchylek hladin enzymů na ustálené koncentrace cílových metabolitů.
Student provede systémovou analýzu cílové metabolické cesty se syntetickými prvky v podobě DNA a RNA regulačních částí. V tomto procesu student vyvine fyzicky relevantní modely popisující efekty heterologních prvků na ustálené koncentrace cílových metabolitů a dále provede citlivostní analýzu těchto hodnot.
Student realizuje jeden vybraný návrh v bakteriálních kmenech Escherichia coli. V tomto procesu student nejdříve navrhne experimentální postup jak syntézy DNA, tak získání a zpracování experimentálních dat.
Student validuje systémový model na získáných experimentálních datech.