Systems and synthetic biology studies in Saccharomyces cerevisiae

Abstract

A fundamental property of living cells is the ability to sense and respond appropriately to changing environmental conditions. In budding yeast (Sacharomyces cerevisiae), changes in extracellular osmotic conditions are sensed by the HOG SAPK pathway, which orchestrates the cell adaptation program required to maximize cell survival upon stress. Although most of the HOG pathway components have been described, little was known about the dynamics of the response. The aim of this thesis was to analyze the dynamic behavior of the HOG pathway. By using a chemical inhibitor and extensive signal quantification we showed that the HOG pathway is controlled by high basal signaling counteracted by a negative feedback regulatory system. This property determines dynamic signaling in terms of faster response times and higher sensitivity to small variations in extracellular stimuli. This thesis also aimed to implement novel strategies for biological computation that allow increasing complexity of circuits. By engineering signaling pathways in yeast, we have shown that distribution of computation tasks among several wired cells reduces wiring constraints and allows scalability of circuit complexity. Moreover, reusability of cells permits implementation of multiple circuits. Overall, our results define novel dynamic properties of the HOG pathway and have been important to achieve a better view of signal transduction process though MAPK pathways. Moreover, we have developed and implemented novel strategies for biological computation that solved fundamental constrains in the field of synthetic biology.

Una propietat cel•lular fonamental és l’habilitat de detectar estímuls i respondre coherentment a un ambient dinàmic. En cèl•lules de llevat (Saccharomyces cerevisiae), els canvis en l’osmolaritat externa són detectats per la via de senyalització de HOG que organitza tot el programa d’adaptació cel•lular, indispensable per assegurar la supervivència cel•lular en estrès osmòtic. Tot i que la gran majoria dels components de la via de HOG han estat identificats, la dinàmica del procés de senyalització és encara força desconeguda. L’objectiu d’aquest projecte de tesis ha estat analitzar el comportament dinàmic de la via de HOG. Gràcies a la utilització d’un al•lel inhibible de la MAPK Hog1 i a la quantificació sistemàtica del procés de senyalització, hem pogut demostrar que en la via de HOG existeix una intensa senyal basal reprimida constantment per un feedback negatiu depenent de la MAPK Hog1. Aquesta tesi també té com a objectiu la implementació de noves estratègies de computació biològica que permetin un increment de la complexitat dels circuits. Gràcies a la bioenginyeria de les vies de senyalització de llevat, hem demostrat que la distribució de la computació en diferents cèl•lules connectades entre elles disminueix les limitacions de connexió i permet incrementar la complexitat dels circuits a un baix cost. En conjunt, els nostres resultats defineixen noves propietats dinàmiques de la via de HOG i han estat importants per tenir una visió global millorada del procés de senyalització per vies de MAPK. A més, hem dissenyat i implementat noves estratègies de computació biològica que han resolt problemes fonamentals del camp de la biologia sintètica.