Αρχές Συνθετικής Βιολογίας

Μαθησιακά Αποτελέσματα

Μετά την επιτυχή ολοκλήρωση του μαθήματος, οι φοιτητές/-τριες θα είναι σε θέση να:

• Επεξηγούν τις αρχές της συνθετικής βιολογίας ως επιστημονικό κλάδο μηχανικής, συμπεριλαμβανομένης της αφαίρεσης (abstraction), της αρθρωτής δομής (modularity) και της τυποποίησης (standardization).
• Περιγράφουν και να εφαρμόζουν το πλαίσιο Σχεδιασμός-Κατασκευή-Έλεγχος-Μάθηση (Design–Build–Test–Learn – DBTL) στον σχεδιασμό βιολογικών συστημάτων.
• Αναγνωρίζουν και να αξιολογούν βιολογικά δομικά συστατικά (parts) και μεθόδους συναρμολόγησης DNA που χρησιμοποιούνται στη συνθετική βιολογία.
• Επεξηγούν τις αρχές της γονιδιωματικής μηχανικής, συμπεριλαμβανομένων των προσεγγίσεων που βασίζονται στο σύστημα CRISPR/Cas
• Αναλύουν και να σχεδιάζουν θεωρητικά γενετικά κυκλώματα, χρησιμοποιώντας τις αρχές της βιολογικής λογικής και των ρυθμιστικών δικτύων.
• Εφαρμόζουν βασική ποσοτική συλλογιστική για την περιγραφή της συμπεριφοράς συστημάτων (π.χ συναρτήσεις μεταφοράς, αποκρίσεις τύπου Hill)
• Αξιολογούν ιδιότητες σε επίπεδο συστήματος
• Περιγράφουν στρατηγικές για την μηχανική μεταβολικών οδών και τη μεταβολική μηχανική σε τροποποιημένους οργανισμούς
• Συγκρίνουν διαφορετικούς οργανισμούς-φορείς (chassis) και βιολογικές πλατφόρμες, συμπεριλαμβανομένων των cell-free συστημάτων
• Εξηγούν τις έννοιες των ελάχιστων κυττάρων (minimal cells), των συνθετικών γονιδιωμάτων και της «bottom-up» συνθετικής βιολογίας.
• Περιγράφουν τον ρόλο της αυτοματοποίησης, των πλατφορμών υψηλής απόδοσης και των βιο-εργαστηρίων (biofoundries) στη σύγχρονη συνθετική βιολογία.
• Επεξηγούν προσεγγίσεις για την επέκταση της βιολογικής λειτουργίας, συμπεριλαμβανομένων των ορθογώνιων συστημάτων και της μη κανονικής βιοχημείας.
• Αναλύουν κριτικά αντιπροσωπευτικές εφαρμογές και στρατηγικές σχεδιασμού της συνθετικής βιολογίας.
• Επικοινωνούν αποτελεσματικά τις έννοιες της συνθετικής βιολογίας, χρησιμοποιώντας την κατάλληλη ορολογία και σχεδιαστικά πλαίσια.

Περιεχόμενο Μαθήματος

Εισαγωγή στη Συνθετική Βιολογία. Ιστορική εξέλιξη, πεδίο εφαρμογών και συσχέτιση με τη βιοτεχνολογία και τη βιολογία συστημάτων.

Αρχές Μηχανικής στη Βιολογία. ιεραρχίες αφαίρεσης, αρθρωτότητα, ορθογωνιότητα, τυποποίηση, πρότυπα αναπαράστασης (SBOL) και ο κύκλος Design–Build–Test–Learn (DBTL).

Βασικές Αρχές Βιολογικού Σχεδιασμού και Συναρμολόγησης DNA.  Τυποποιημένα βιολογικά μέρη (προαγωγείς, RBS, CDS, τερματιστές), πλαίσια σχεδιασμού και η έννοια των BioBricks, τεχνολογίες συναρμολόγησης επόμενης γενιάς (από συναρμολόγηση idempotent BioBrick έως Gibson και Golden Gate), εργαλεία επεξεργασίας (βασικές αρχές CRISPR/Cas9).

Οργανισμοί-φορείς και Βιολογικές πλατφόρμες. Η προοπτική του «Ξενιστή». Πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα του E. coli έναντι του Ζυμομύκητα. Mηχανική ευκαρυωτικών κυττάρων (CHO, HEK), μη-μοντελοποιημένοι οργανισμοί, Εισαγωγή στα ακυτταρικά συστήματα (cell-free) ως πλατφόρμες.

Ποσοτική Μοντελοποίηση & Γενετική Λογική (The “Unit” Level). Συναρτήσεις Hill και συστήματα ODEs, συναρτήσεις μεταφοράς (transfer functions), σχεδιασμός λογικών πυλών AND/OR/NOT.

Σύνθετα Γενετικά Κυκλώματα (Επίπεδο “Συστήματος”). Βρόχοι ανάδρασης (Feedback loops), ταλαντωτής Repressilator, διακόπτες (toggle switches), Στιβαρότητα (Robustness) και θόρυβος στη βιολογία, αντιστοίχιση εισόδου/εξόδου (I/O matching), μεταβολικό φορτίο και αλληλεπίδραση ξενιστή-κυκλώματος

Μεταβολική Μηχανική (Από τα Κυκλώματα στα Μονοπάτια). Ανάλυση Ισοζυγίου Ροών, αρθρωτότητα μεταβολικών οδών, κατευθυνόμενη εξέλιξη. Case studies: αρτεμισινίνη, βιοκαύσιμα, ανθρώπινες ορμόνες, βελτιστοποίηση σύνθεσης σιταγλιπτίνης

Προσέγγιση Bottom-Up: Ελάχιστα κύτταρα και συνθετικά γονιδιώματα, μείωση γονιδιώματος, συνθετικά χρωμοσώματα και κυτταρική μηχανική

Αυτοματισμός και Βιοεργοστάσια (Biofoundries). Αυτοματισμός εργαστηρίων, κατασκευή υψηλής απόδοσης, ρομποτικές πλατφόρμες, βιοεργοστάσια συνθετικής βιολογίας.

Ακυτταρική Συνθετική Βιολογία (Cell-Free). Συστήματα TX-TL· πρωτοτυποποίηση κυκλωμάτων εκτός κυττάρου, Paper-based διαγνωστικά, βιοαισθητήρες.

Ορθογωνικότητα & Ξενοβιολογία (Xenobiology): Διευρυμένοι γενετικοί κώδικες, μη κανονικά αμινοξέα, XNA, ορθογωνικά συστήματα μετάφρασης, εναλλακτικοί γενετικοί κώδικες και διευρυμένη χημεία βιολογικών συστημάτων.

iGEM & Παγκόσμια Καινοτομία: Ο διαγωνισμός International Genetically Engineered Machine (iGEM) και το εκπαιδευτικό οικοσύστημα του iGEM Foundation.

Μελλοντικές Κατευθύνσεις & Υπεύθυνη Καινοτομία. Τροποποιημένα Ζωντανά Υλικά (ELMs), Μηχανική μικροβιώματος, Βιο-περιορισμός και γενετικά firewalls

Συνιστώμενη Βιβλιογραφία

• Synthetic Biology – A Primer (Revised Edition, 2015) by Baldwin G, Bayer T, Dickinson R, Ellis T, Freemont PS, Kirney RI, Polizzi K, Stan G-B. ISBN: 978-1783268795.
• Synthetic Biology AI-Driven Design and Optimization (Genesis Protocol: Next Generation Technology for Biological and Life Sciences) by Jamie Flux. Edition 2024. ISBN: 979-8336931457.
• An Introduction to Systems Biology by Uri Alon (Chapman & Hall/CRC Computational Biology Series) 2nd Edition (2019). ISBN: 978-1439837177.