¿Cómo diseñaría un controlador LQR o MPC para un circuito genético?

Estaba esperando una respuesta diferente, pero no parece que nadie vaya a responder, así que daré mi mejor oportunidad desde la perspectiva del biólogo.

TL; DR: no tienen (realmente) una relación (directa) con la teoría de control. Es muy descuidado

En primer lugar, los sistemas biológicos no están diseñados, evolucionan. Todos ellos, cada uno, tiene fugas de alguna manera. Realmente no somos buenos para predecir cómo los sistemas biológicos reaccionan a diferentes estímulos.

Un ejemplo: E. coli. El principal organismo modelo de la biología molecular. Muchas personas lo cultivan en “caldo LB” por razones históricas. No crece (o no) E coli muy bien porque estaba destinado a fagos. Con el tiempo, la E. coli evolucionó para crecer mejor en nuestros medios ineficientes.

C elegans, un nematodo, es otro ejemplo. En cautiverio, 1/1000 C elegans son machos (el resto son hermafroditas), pero en la naturaleza es mucho más alto. En los experimentos, los salvajes pueden adaptarse mejor a los parásitos debido a la transferencia de genes de los machos. En cautiverio, sin necesidad de transferencia genética a través de su población, C elegans se ha optimizado para criar más rápido y tener menos machos.

La biología se adapta, evoluciona y encuentra un camino. El represor es un buen ejemplo de por qué no podemos tener cosas buenas en biología. Esencialmente, es un oscilador de biología sintética. Sin embargo, es muy inestable en las células debido a la variación de expresión y crecimiento, por lo que es una buena teoría, pero no funciona bien en la práctica. En general, simplemente no sabemos lo suficiente para construir ningún circuito de control sintético.

Realmente no ‘diseñas’ circuitos genéticos para que sean óptimos. Son extremadamente eficientes para hacerlo ellos mismos si de alguna manera puedes conectar eso con la supervivencia de las células en las que reside. LQR se puede resolver con eso, si estoy interpretando bien la página wiki.

MPC, o modelado, somos DECADES. Ni siquiera podemos modelar adecuadamente el plegamiento de ARN en todas las circunstancias todavía. Computacionalmente, podemos * apenas * calcular proteínas, y no tan bien en eso. Estamos avanzando en el modelado de sitios de unión a ribosomas debido al arduo trabajo del Laboratorio de Salis, pero en circunstancias complejas sus modelos pueden desactivarse por órdenes de magnitud. Modelado de células eucariotas? Ni siquiera sabemos todo sobre el ADN en sí, desde los estudios epigenéticos hasta el plegamiento de cromatina. Hay demasiadas variables, y solo estamos recopilando una pila de pequeñas cantidades de datos en una variedad de casos, y hasta ahora el poder predictivo ha sido … deficiente.

Lo que debe tener en cuenta son las partes móviles de un sistema que desea diseñar, porque se vuelve exponencialmente más complejo ya que en bio ya que TODO interactúa con TODO lo demás. KISS es tan importante.

Muchos sensores están integrados en bacterias, pero a veces tendrá que agregar más. Recuerde que casi todos se afectan entre sí. Para comenzar una lista:

lacI: detecta lactosa / IPTG. Fugas sin proteínas adicionales.

promotor de ramnosa: detecta ramnosa

araC: detecta arabinosa (¿ves tendencia aquí?)

También puede usar sensores de luz que son geniales, pDawn y pDusk de the-odin funcionan bastante bien. Mira iGem para más sensores. Los biosensores son en realidad uno de los campos emergentes más grandes en biología sintética porque un sensor significa que puede vincular la expresión con la selección. (las células son muy buenas para evolucionar)

Controladores: Nunca los he usado realmente. Los controladores son una especie de sensores, ya que lacI es una proteína que detecta la lactosa o IPTG y luego activa la expresión de un gen. La biología parece demasiado descuidada para probar controladores reales, en un sentido de ingeniería.

Descargo de responsabilidad: los laboratorios académicos profesionales pueden hacer casetes de expresión de múltiples genes, pero lleva años de trabajo con muchas personas completamente enfocadas en él. Pero puede hacerse. También han predicho la estructura de la proteína. También trabajo principalmente con procariotas, por lo que los ejemplos son parciales. Esta también es solo mi opinión, ya que veo que las personas más calificadas que trabajan en biología de sistemas no tienen respuestas. Soy principalmente un bioingeniero que usa KISS y va con el ejemplo más simple en la naturaleza que puedo encontrar.