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Quels sont les principes de l'ingénierie des cellules souches ?

Quels sont les principes de l'ingénierie des cellules souches ?


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Supposons que vous vouliez convertir la cellule de la peau en une cellule souche pluripotente. Je sais qu'il y a quelques gènes qui ont été identifiés à cette fin (un récent prix Nobel). Mais en plus de trouver de tels gènes, cela semble également impliquer de maintenir le bon environnement, de sorte que certains récepteurs critiques ne se déclenchent pas et ne modifient pas l'expression entière. Cela semble également impliquer d'assurer la stabilité de l'expression des gènes après que le changement s'est produit. Quelqu'un pourrait-il ajouter à cela? Quelles sont les grandes idées de paradigme en ingénierie des cellules souches ?


Les rôles des facteurs de reprogrammation Oct4, Sox2 et Klf4 dans la réinitialisation de l'épigénome des cellules somatiques lors de la génération de cellules souches pluripotentes induites

La technologie de reprogrammation actuelle, mise au point par Takahashi et Yamanaka 1, repose sur plusieurs avancées fondamentales dans le domaine de la biologie du développement. Premièrement, des expériences de transfert nucléaire ont démontré qu'un noyau de cellule somatique pouvait être réinitialisé épigénétiquement à un état de développement précoce [2]. Deuxièmement, des conditions de culture cellulaire ont été développées pour permettre l'isolement et la culture de cellules pluripotentes, appelées cellules souches embryonnaires (ES), à partir de la masse cellulaire interne du blastocyste humain et murin [3,4]. Enfin, l'étude de ces cellules et du développement embryonnaire précoce a conduit à l'identification de facteurs qui ont finalement été capables de reprogrammer les fibroblastes embryonnaires de souris (MEF) à l'état de cellules iPS lorsqu'ils sont exprimés de manière ectopique, bien qu'à basse fréquence.

La reprogrammation des cellules somatiques est un processus en plusieurs étapes qui aboutit à l'expression de gènes de pluripotence tels que Nanog. Bien que des changements morphologiques se produisent aux stades précoces et intermédiaires de la reprogrammation, l'expression des gènes de pluripotence n'est induite qu'au stade tardif et indique une reprogrammation fidèle.

Le cocktail de reprogrammation de base, constitué des facteurs de transcription Oct4, Sox2 et Klf4 peut être augmenté par l'ajout de facteurs qui améliorent l'efficacité de la génération de cellules iPS

C'est un processus en plusieurs étapes dans lequel de nombreuses recherches sont encore nécessaires,

La fréquence à laquelle les cellules somatiques se convertissent en cellules iPS est généralement inférieure à 1 %. Par conséquent, beaucoup d'efforts ont été consacrés à l'amélioration de la reprogrammation.

spécialement pour augmenter l'efficacité de génération de cellules iPS

La capacité des cellules à traverser le cycle cellulaire s'est également avérée être un déterminant important de l'efficacité de la reprogrammation. Le knockdown ou la suppression de gènes de p53, p21 ou de protéines exprimées à partir du locus Ink4/Arf permet aux cellules en cours de reprogrammation d'éviter l'activation des points de contrôle du cycle cellulaire et la sénescence cellulaire, conduisant à une plus grande formation de cellules iPS [21], 24-27].

L'expression des gènes change pendant la reprogrammation


Avant tout, les thérapies par cellules souches sont des thérapies cellulaires qui, aux États-Unis, sont réglementées par des agences telles que FACT (fondation pour l'accréditation des thérapies cellulaires), CAP (collège des pathologistes américains) et la FDA (Food & Drug Administration). La fabrication doit être conforme aux normes GTP (bonnes pratiques en matière de tissus) et GMP (bonnes pratiques de fabrication). Même l'étiquetage des produits évolue vers le système harmonisé ISBT128, géré par ICCBBA (International Council for Commonality in Blood Banking Automation). Le point à retenir ici est que tout est strictement réglementé et produit selon des normes rigoureuses de sécurité, de conformité et de documentation. Tout le monde n'est pas accrédité FACT, mais les avantages deviennent de plus en plus importants, en particulier pour les assureurs (réf.). Les thérapies sont coûteuses à fabriquer, c'est certain. Les deux immunothérapies CAR-T approuvées par la FDA YESCARTA et Kymriah coûtent environ 500 000 $.

Il existe donc plusieurs types de thérapie par cellules souches. La greffe de moelle osseuse est considérée comme une thérapie par cellules souches, et vous avez ensuite des thérapies qui impliquent des cellules souches embryonnaires humaines (CSEh) et des cellules souches pluripotentes induites par l'homme (hiPSC).

En termes de hiPSC, les groupes ont réussi à la fois à cultiver avec des facteurs de transcription tels que Oct4, Sox2, Klf2 et ainsi de suite, et à utiliser le virus sendai pour délivrer ces facteurs de transcription directement dans la cellule vidéo Youtube).

Nous pouvons également voir, cependant, que les cellules souches peuvent être obtenues ailleurs et n'ont pas nécessairement besoin d'être induites. Vous pouvez obtenir des CSEh à partir d'embryons et de sang de cordon, et les cellules souches hématopoïétiques (CSH) peuvent être mobilisées à partir de la moelle avec un cocktail de médicaments (comme le plérixafor et le GM-CSF) et récoltées par aphérèse.

Donc, juste pour un exemple concret de ce que vous pensez : des articles sur la production de cellules ß sécrétant de l'insuline sensibles au glucose à partir de CSEh en utilisant des conditions de culture soigneusement contrôlées ont été publiés (réf), et les entreprises ont tiré parti de cette technologie. Les implants sous-duraux utilisant ce système font actuellement l'objet d'essais cliniques. Ils produisent les cellules ß à partir de CSEh en contrôlant les cultures :

Source : 1,2

Les facteurs de transcription au bas de la figure, que j'ai collés à partir de deux sources, montrent quels facteurs de transcription devraient être actifs à ce stade. L'identité du produit final peut être déduite d'une combinaison de facteurs de transcription qui devraient et ne devraient pas être actifs. Il est également important de comprendre qu'il y a volonté être des cellules hors cible, mais que le processus doit être validé pour garantir que les cellules sur la cible restent dans une plage acceptable telle que définie pendant le développement préclinique.

Les fabricants devraient également tester la pureté, la stérilité, l'endotoxine et la puissance de leurs cellules. Les tests d'activité sont devenus une sorte de prérogative pour la FDA, puisque n'importe qui peut produire une cellule, mais comment peut-on dire qu'elle est efficace ou fait ce pour quoi elle est commercialisée ? Un exemple de test d'activité pourrait être deux cultures, l'une avec du glucose et l'autre sans, l'une sécrète-t-elle plus d'insuline que l'autre ? Vous choisiriez ce test parce que le mécanisme d'action proposé pour les cellules ß est qu'elles répondent au glucose et sécrètent de l'insuline.

Pour la stérilité, ils vendent de bons kits comme des flacons de test aérobie et anaérobie BacT alert, des kits de test de mycoplasme, vous pouvez également faire des plaques de culture et une coloration de Gram. Les produits qui ne présentent pas une stérilité à 100% ne peuvent pas être perfusés, et il s'ensuit donc généralement qu'un médecin peut effectuer des libérations exceptionnelles pour de nombreux autres problèmes, mais la contamination arrêtera net un produit de thérapie cellulaire.

Vous avez également raison de dire que les thérapies cellulaires qui impliquent une étape de modification génétique doivent examiner des éléments tels que l'efficacité de la transduction, le titre du virus vivant, l'expression des molécules liées à la transduction, etc. Le kit de sendovirus référencé ci-dessus est un choix juste car comme ils le démontrent, après plusieurs passages, le titre de virus non intégrateur est négligeable. Pour l'administration humaine, dans l'espace CAR-T, la FDA a exigé que les études où CAR-T a été perfusé suivent les patients pendant 15 ans après le traitement pour étudier l'effet de la perfusion de vecteurs à transduction virale. Je ne pense pas qu'il y ait une réponse claire quant à savoir si le virus est un problème. Vous avez également raison, cependant, qu'il est nécessaire de tester la stabilité du ou des gènes transduits, notamment par passage, maintien et cryoconservation. Tout cela est bien décrit ici.


Qu'est-ce que le génie biomédical ?

Le génie biomédical est l'application des principes et des techniques de résolution de problèmes de l'ingénierie à la biologie et à la médecine. Ceci est évident dans tous les soins de santé, du diagnostic et de l'analyse au traitement et à la récupération, et est entré dans la conscience publique à travers la prolifération des dispositifs médicaux implantables, tels que les stimulateurs cardiaques et les hanches artificielles, aux technologies plus futuristes telles que l'ingénierie des cellules souches et le 3-D impression d'organes biologiques.

L'ingénierie elle-même est un domaine innovant, à l'origine d'idées menant à tout, de l'automobile à l'aérospatiale, des gratte-ciel au sonar. Génie biomédical se concentre sur les progrès qui améliorent la santé humaine et les soins de santé à tous les niveaux.

Les ingénieurs biomédicaux diffèrent des autres disciplines du génie qui ont une influence sur la santé humaine en ce que les ingénieurs biomédicaux utilisent et appliquent une connaissance intime des principes biologiques modernes dans leur processus de conception technique. Les aspects du génie mécanique, du génie électrique, du génie chimique, de la science des matériaux, de la chimie, des mathématiques, de l'informatique et de l'ingénierie sont tous intégrés à la biologie humaine en génie biomédical pour améliorer la santé humaine, qu'il s'agisse d'un membre prothétique avancé ou d'une percée dans l'identification des protéines au sein des cellules.

Il existe de nombreuses sous-disciplines au sein du génie biomédical, notamment la conception et le développement de dispositifs médicaux actifs et passifs, les implants orthopédiques, l'imagerie médicale, le traitement du signal biomédical, le génie des tissus et des cellules souches et le génie clinique, pour n'en nommer que quelques-uns.


Cellule & Ingénierie tissulaire

L'ingénierie cellulaire et tissulaire se concentre sur l'application de principes physiques et d'ingénierie pour comprendre et contrôler le comportement des cellules et des tissus. L'ingénierie cellulaire se concentre sur les phénomènes au niveau cellulaire, tandis que l'ingénierie tissulaire et la médecine régénérative cherchent à générer ou à stimuler de nouveaux tissus pour le traitement des maladies.

Deux domaines dans lesquels le département a établi un leadership spécial sont la mécanobiologie cellulaire, qui se concentre sur la compréhension de l'interaction et de la conversion entre les informations biochimiques et basées sur la force dans les systèmes vivants, et l'ingénierie des cellules souches, qui comprend des plates-formes pour développer, implanter et mobiliser des cellules souches. pour la réparation et le remplacement des tissus.

Faculté travaillant en génie cellulaire et tissulaire :

Dean A. Richard Newton Memorial Professeur, Bio-ingénierie
Scientifique principal du corps professoral, Division de la génomique environnementale et de la biologie des systèmes, Laboratoire national Lawrence Berkeley
Directeur, Institut de biologie synthétique de Berkeley
PDG/CSO, Base de connaissances en biologie des systèmes du DOE
PI et co-directeur, ENIGMA SFA

Les recherches de l'Arkin Lab portent sur les systèmes et la biologie synthétique des micro-organismes. Ils sont experts en théorie, calcul et expériences entourant la modélisation des systèmes biologiques au niveau moléculaire et populationnel et ont développé un certain nombre de technologies à l'échelle du génome avec lesquelles nous pouvons évaluer rapidement la fonction génomique de micro-organismes non caractérisés. Les modèles du laboratoire couvrent l'analyse déterministe et stochastique des systèmes homogènes et spatialement distribués.

Professeur, Bio-ingénierie
Professeur, Génie Mécanique

Théorie et applications de la mécanique des solides aux matériaux et biomatériaux traditionnels.

Notre travail s'est concentré sur l'établissement de nouveaux paradigmes dans le vieillissement, le rajeunissement et la régulation des cellules souches multi-tissulaires par des voies de signalisation morphogéniques conservées. L'un de nos objectifs est de définir la pharmacologie pour améliorer la maintenance et la réparation des tissus adultes in vivo. Les études menées par nous sur la parabiose hétérochronique et l'aphérèse sanguine ont établi que le processus de vieillissement est réversible par modulation du milieu circulatoire. Notre méthode de biologie synthétique de choix se concentre sur le marquage bio-orthogonal non canonique des acides aminés (BONCAT) et l'identification subséquente des changements imposés par l'âge et causant des maladies dans les protéomes de mammifères in vivo. Nos projets de médecine réglementaire de délivrance de médicaments se concentrent sur les thérapies basées sur CRISPR/Cas9 pour une édition de gènes plus efficace et plus sûre.

Professeur en résidence, Département de bio-ingénierie
Professeur et Chaire, Bio-ingénierie et Sciences Thérapeutiques, UCSF

Le laboratoire du Dr Desai se concentre sur le domaine des micro et nanotechnologies biomédicales pour l'administration thérapeutique. Les recherches du professeur Desai couvrent plusieurs disciplines, notamment l'ingénierie des matériaux, la biologie cellulaire, l'ingénierie tissulaire et l'administration de médicaments.

Chaire Purnendu Chatterjee en ingénierie des systèmes biologiques, bio-ingénierie
Scientifique de la faculté, Laboratoire national Lawrence Berkeley

Le Fletcher Lab développe des technologies de diagnostic et étudie la régulation mécanique de l'organisation des membranes et du cytosquelette dans le contexte de la motilité cellulaire, de la signalisation et des interactions hôte-pathogène. Nous nous spécialisons dans le développement de technologies de microscopie optique, de microscopie à force et de microfluidique pour comprendre les principes organisationnels fondamentaux grâce à la reconstitution in vitro et aux expériences sur cellules vivantes. Les travaux récents comprennent l'étude de la mécano-biochimie de l'assemblage du réseau d'actine ramifiée avec la microscopie à force, l'étude de la déformation de la membrane par l'encombrement des protéines et l'oligomérisation avec des membranes modèles, et la reconstitution de la mise à l'échelle du fuseau dans des extraits cytoplasmiques encapsulés. L'objectif à long terme de notre travail est de comprendre et d'exploiter l'organisation spatiale pour des applications thérapeutiques dans le cancer et les maladies infectieuses.

Jan Fandrianto Professeur, Bio-ingénierie
Professeur, Science des matériaux & Ingénierie

La recherche au Healy Lab met l'accent sur la relation entre les matériaux et les cellules ou les tissus avec lesquels ils entrent en contact. Le programme de recherche se concentre sur la conception et la synthèse de matériaux bioinspirés qui dirigent activement le destin des cellules de mammifères et facilitent la régénération des tissus et organes endommagés. Les principales découvertes de son laboratoire se sont concentrées sur le contrôle du devenir des cellules et de la formation des tissus en contrat avec des matériaux dont le contenu biologique et les propriétés mécaniques sont ajustables. Le professeur Healy possède également une vaste expérience des technologies des cellules souches humaines, des systèmes microphysiologiques, des systèmes d'administration de médicaments et des nouvelles thérapies bioconjuguées.

Professeur associé, Bio-ingénierie

Professeur adjoint, Bio-ingénierie

Le Hsu Lab vise à comprendre et à manipuler les circuits génétiques qui contrôlent le fonctionnement du cerveau et des cellules immunitaires pour améliorer la santé humaine. Nous explorons la riche diversité biologique de la nature pour créer de nouvelles technologies moléculaires, perturber des processus cellulaires complexes à grande échelle et développer des thérapies géniques et cellulaires de nouvelle génération. Pour ce faire, notre groupe s'appuie sur une palette de techniques expérimentales et informatiques, notamment les systèmes CRISPR-Cas, la génomique unicellulaire, les virus modifiés, les organoïdes cérébraux et les criblages génétiques regroupés.

Les intérêts actuels incluent 1) inventer de nouvelles approches pour éditer le génome postmitotique, 2) développer des véhicules d'ingénierie pour la livraison de macromolécules thérapeutiques, et 3) tirer parti des écrans de bibliothèque et des organoïdes cérébraux pour interroger les neurosciences humaines à grande échelle.

Professeur chancelier, Bio-ingénierie
Professeur Chancelier, Génie Mécanique

Biomécanique de la conception osseuse corticale et trabéculaire des prothèses vertébrales fracture osseuse et ostéoporose ingénierie tissulaire de l'os.

Professeur du Chancelier et Chaire, Bio-ingénierie
Professeur de génie chimique et biomoléculaire
Professeur en résidence, Bio-ingénierie et sciences thérapeutiques, UCSF
Scientifique de la faculté, Systèmes biologiques et ingénierie, LBNL

Notre laboratoire cherche à comprendre et à concevoir des communications mécaniques et biophysiques entre les cellules et les matériaux. En plus d'étudier les aspects fondamentaux de ce problème avec une variété de technologies à l'échelle micro/nano, nous sommes particulièrement intéressés à découvrir comment cette signalisation régule la biologie des tumeurs et des cellules souches dans le système nerveux central. Les orientations récentes ont inclus : (1) l'ingénierie de nouvelles plates-formes de culture tissu-mimétiques pour les études biophysiques, l'analyse moléculaire et le criblage (2) l'exploration des systèmes de signalisation mécanobiologique comme cibles pour limiter l'invasion des tumeurs cérébrales et améliorer la neurogenèse des cellules souches et (3) créer de nouveaux biomatériaux inspirés des réseaux structuraux cellulaires.

Professeur titulaire de la promotion 1941 en bio-ingénierie et en science et génie des matériaux

Mon laboratoire s'intéresse à la compréhension des relations structure-propriété dans les matériaux biologiques et à l'utilisation de ces informations pour concevoir des matériaux d'inspiration biologique destinés à être utilisés dans les soins de santé. Les études fondamentales comprennent des études biophysiques à molécule unique et en masse des phénomènes biointerfaciaux et mécanochimiques en masse dans les matériaux biologiques, tandis que nos études appliquées portent sur la conception et la synthèse de nouveaux biomatériaux pour la réparation et la régénération des tissus.

Professeur, Bio-ingénierie
Professeur, Génie Mécanique
Scientifique de la faculté, Lawrence Berkeley National Lab

Notre programme de recherche est axé sur la compréhension de la mécanobiologie cellulaire et des mécanismes moléculaires impliqués dans les maladies humaines, en particulier les dysfonctionnements cardiovasculaires, les troubles cérébraux et neurologiques et le cancer.

Notre laboratoire se concentre sur le développement de nouveaux matériaux pour l'administration de médicaments et l'imagerie moléculaire.

Professeur, Génie Mécanique
Lawrence Talbot Professeur, Génie mécanique

Caractérisation de l'évolution structurelle du polyéthylène à poids moléculaire ultra élevé de qualité médicale due à la stérilisation : les implications pour les remplacements articulaires totaux.

Professeur émérite, Bio-ingénierie
Professeur émérite, Médecine, UCSF

La recherche se concentre sur la biomécanique des mains et des bras et la conception d'outils et de tâches en milieu de travail afin d'améliorer la productivité et la qualité du travail tout en prévenant la fatigue et les blessures des membres supérieurs. Le laboratoire a étudié des conceptions de tablettes, d'interfaces gestuelles, de claviers, de souris, de pipettes, d'écrans tactiles, d'outils dentaires, de forets de construction, de chaises et d'outils agricoles. Le financement provient principalement du NIH et du CDC, mais également de Hewlett-Packard, Microsoft, BART, Logitech et Herman-Miller.

Professeur émérite, Bio-ingénierie
Professeur de l'École Supérieure, Génie Mécanique

Dispositifs bioélectroniques, biotransport, imagerie médicale, tomographie par impédance électrique.

Professeur, Chimie & Génie Biomoléculaire, Bio-ingénierie et Biologie Moléculaire & Cellulaire
Directeur, Berkeley Stem Cell Center


Biologie régénérative et ingénierie tissulaire

Les malformations, les dommages et les défaillances d'organes sont les causes les plus courantes de morbidité et de mortalité humaines. On estime que plus de 35 000 nourrissons naîtront chaque année avec des malformations d'organes, 100 000 personnes se verront amputer des membres, 5 000 personnes en attente d'organes mourront sans avoir reçu de greffe et 1 million de personnes mourront d'une maladie d'organe. L'objectif du thème Biologie régénérative et ingénierie tissulaire (RBTE) est de développer la base de connaissances et les technologies nécessaires pour remplacer ou régénérer les tissus et organes humains et ainsi résoudre ces problèmes de santé graves et contribuer à améliorer la qualité de vie et le bien-être.

Pour atteindre cet objectif, les scientifiques de la RBTE poursuivent trois axes de recherche connexes. Premièrement, les scientifiques de RBTE utilisent des approches de cellules souches et de développement pour étudier comment les organes se forment et se régénèrent. Deuxièmement, les scientifiques de RBTE utilisent les connaissances acquises grâce aux études sur les cellules souches et le développement pour régénérer les tissus et les organes d'une série d'organismes modèles et non modèles. Troisièmement, les scientifiques de RBTE traduisent leurs recherches d'organismes modèles et non modèles en humains. Ces trois axes de recherche sont détaillés ci-dessous. Avec cette approche à multiples facettes, les scientifiques de RBTE font des progrès majeurs vers le développement de technologies régénératives qui auront un impact positif sur la vie des nombreuses personnes souffrant de malformations, de lésions et de défaillances d'organes.

Cellules souches et biologie du développement: Une compréhension des processus cellulaires et développementaux qui sous-tendent la croissance des organes et des tissus fournit une base critique et nécessaire pour la régénération des organes et des tissus. La régénération des organes est un processus complexe qui nécessite le remplacement simultané des os, des muscles squelettiques et des tendons, et la repousse des nerfs, des vaisseaux sanguins et de la peau. Par conséquent, avant que les organes puissent être régénérés, la base de développement de tous ces événements doit être comprise. Pour poursuivre cet objectif, les scientifiques de RBTE utilisent une diversité d'approches de recherche qui se répartissent en deux grandes catégories : la recherche sur les cellules souches et la biologie du développement. En ce qui concerne la recherche sur les cellules souches, les scientifiques de la RBTE étudient la détermination du devenir des cellules. Dans cette recherche, les scientifiques de RBTE étudient les signaux qui transforment une cellule indifférenciée en une cellule spécifique à un tissu ou à un organe. En ce qui concerne la biologie du développement, les scientifiques de la RBTE étudient les processus cellulaires et moléculaires qui sous-tendent le développement normal des organes et des tissus chez les organismes modèles et non modèles.

Régénération dans les modèles animaux: Les scientifiques de RBTE appliquent les connaissances acquises grâce à la recherche sur les cellules souches et la biologie du développement pour régénérer les tissus et les organes de nombreux animaux modèles et non modèles. Les animaux étudiés comprennent les grenouilles, les souris, les rats, les lapins, les porcs et les opossums. Cette recherche constitue une base essentielle pour la régénération des organes et des tissus chez l'homme. Plus précisément, la recherche sur des modèles animaux peut fournir des informations importantes sur les processus cellulaires et moléculaires qui sous-tendent la régénération des organes et des tissus. Les scientifiques de RBTE adoptent deux approches majeures pour régénérer les tissus dans des modèles animaux. Dans le premier, les scientifiques de RBTE comparent les processus cellulaires et moléculaires opérant dans les tissus et organes capables de se régénérer avec les processus opérant dans les tissus et organes qui ne le sont pas. De cette façon, les scientifiques de RBTE sont en mesure d'identifier des processus spécifiques qui sous-tendent la régénération des organes et des tissus. Dans la seconde approche, les scientifiques de RBTE appliquent les principes de la bio-ingénierie et de la science des matériaux à la régénération des tissus et des organes. Dans cette approche innovante, les scientifiques de RBTE utilisent des échafaudages, des tissus, des molécules bioactives et des cellules pour améliorer la régénération des organes et des tissus avec un grand succès.

Recherche translationnelle sur la régénération humaine: Le but ultime de la biologie régénérative est de régénérer avec succès les tissus et les organes chez l'homme. Pour atteindre cet objectif, les scientifiques de RBTE ont établi des collaborations de recherche actives avec des médecins de plusieurs institutions, notamment la Mayo Clinic, l'Université de l'Illinois à Chicago, la Northwestern University et l'hôpital Carle. Grâce à ces collaborations, les scientifiques de RBTE transposent les connaissances acquises grâce à la recherche sur les cellules souches, le développement et la régénération chez des animaux modèles et non modèles à la régénération d'organes et de tissus chez l'homme. Ces efforts de translation impliquent l'utilisation d'échafaudages biodégradables en combinaison avec des facteurs de croissance et des cellules souches adultes comme traitements pour les gros traumatismes ou maladies des os et/ou du cartilage. Les domaines d'intérêt comprennent la régénération des os du crâne, de la colonne vertébrale, des os longs et des doigts, et du cartilage du visage, de la trachée et des articulations. La méthodologie employée pourrait réduire ou même éliminer le besoin de procédures de prélèvement et de greffe osseuse, diminuant ainsi le nombre de chirurgies des patients.


Comment développer la biologie

Parce que la biologie est le résultat de l'évolution et non du développement humain, y apporter des principes d'ingénierie est voué à l'échec. C'est ainsi que l'argument derrière le « sophisme de Grove », invoqué pour la première fois par l'observateur de l'industrie pharmaceutique Derek Lowe dans une critique du PDG d'Intel Andy Grove en 2007. Après avoir reçu un diagnostic de cancer de la prostate, Grove s'est retrouvé frustré par ce qu'il a décrit comme « l'absence de véritable rendement&rdquo dans la pharma en particulier par rapport à l'entraînement de Moore&rsquos Law dans sa propre industrie.

Il s'agissait d'une critique naïve et invalide de la part d'étrangers de la Silicon Valley, a fait valoir Lowe, car "la recherche médicale est différente [et plus difficile] que la recherche sur les semi-conducteurs" et "cette" en partie parce que nous les avons construites. Fabriquer des choses [comme les semi-conducteurs] à partir de zéro est un réel avantage pour les comprendre, mais nous avons commencé à étudier la vie après qu'elle eut quelques milliards d'années d'avance. » Ainsi, l'idée même de l'ingénierie de la biologie par nature est vouée à l'échec. échouer, a-t-il ajouté, étant donné que "des milliards d'années de bricolage évolutif ont conduit à quelque chose de si complexe et si étrange qu'il peut faire ressembler la plus haute technologie conçue par l'homme à quelque chose de construit avec des bâtons".

Mais nous avons vu des progrès incroyables dans le monde de la biologie et de la technologie au cours des dernières années, de l'IA qui diagnostique le cancer avec plus de précision que les humains, à l'édition de gènes avec CRISPR. Alors, est-il toujours vrai que l'idée d'amener un état d'esprit d'ingénierie à la bio est un autre cas de solutionnisme de technologue aux yeux étoilés ?

Il est tout à fait vrai que nous sommes bien en train de découvrir la biologie, en démêlant encore la « dette technique » de l'évolution. Juste au moment où l'on pense comprendre la biologie, une autre couche d'oignon apparaît. Il est également dangereusement facile de casser la biologie, avec des conséquences bien plus graves qu'un code cassé, même des mutations ponctuelles peuvent entraîner des maladies, et des quantités extrêmement faibles de certains produits chimiques peuvent avoir des effets secondaires désastreux. Bon nombre des échecs de la médecine et en particulier de la conception de médicaments découlent de la complexité et de l'imprévisibilité de la biologie.

Mais le fait que nous découvrions encore la biologie ne signifie pas que nous pouvons concevoir. Nous pouvons concevoir les outils que nous utilisons pour gérer la biologie.

En fait, nous avons construit et conçu des outils pour contrôler, augmenter, remplacer ou améliorer la biologie aussi longtemps que l'humanité elle-même existe et qu'il s'agisse d'apprivoiser la jungle pour construire des villages habitables stopper et contenir l'infection en fabriquant des prothèses avancées pour les personnes qui ont perdu leurs membres en fabriquant des drogues synthétiques pour remplacer des pièces défectueuses ou maintenant, même en créant des fonctionnalités que la nature n'a jamais eues. Nous pouvons le faire parce que nous avons appris empiriquement les propriétés de ces matériaux, puis itéré, conçu et construit de nouvelles structures avec eux. Il n'y a aucune raison pour que nous ne puissions pas continuer à le faire pour nos médicaments et notre corps.

La seule question est de savoir comment y arriver. Si Découverte est l'exploration systématique d'idées et de concepts dans le but de comprendre le monde qui nous entoure, puis conception est le pilier de l'ingénierie et du mdash où les concepts appris dans le domaine scientifique sont utilisés pour tout construire autour de nous d'une manière reproductible, moins longue et plus prévisible.

La façon dont les choses sont en ce moment, nous conception ponts, mais nous découvrir médicaments. Ce n'est pas sans coût : les ponts valant des milliards de dollars, que nous avons appris à concevoir par essais et erreurs, la pratique et des principes d'ingénierie éprouvés, échouent rarement&mdash alors que les échecs médicamenteux d'un milliard de dollars sont courants, sans parler des coûteux. Avec la conception, cependant, nous pouvons planifier et progresser très systématiquement le long d'une feuille de route et apporter des innovations incrémentielles en cours de route. Empruntant à l'ingénierie, voici des principes qui nous permettent de surmonter ce qu'on appelle l'erreur de Grove et d'exploiter la biologie.

PRINCIPE 1 : BLOCS DE CONSTRUCTION DE TYPE LEGO

La biologie a une nature hiérarchique : les acides aminés sont constitués d'atomes, de protéines d'acides aminés et ainsi de suite&mdas se réunissent pour former des cellules, qui fabriquent des tissus, qui conduisent à des organes, qui conduisent à des organismes, puis à des niches, puis à des écosystèmes complets. L'évolution est l'algorithme ultime. Et la capacité de faciliter l'évolution plus rapidement pour mieux répondre à la pression sélective (méta-évolution), a conduit à des mécanismes qui renforcent cette modularité. Une grande partie de la hiérarchie est connue, donc si vous voulez concevoir des machines cellulaires, les parties sont des protéines si vous voulez créer des tissus, les parties sont des cellules et au-delà à des échelles plus élevées.

Ce n'est qu'hypothétique. Il existe déjà de nombreux exemples réussis de cela, de l'ingénierie de la myosine (protéines qui marchent le long des autoroutes des microtubules cellulaires pour le transport) aux thérapies CAR-T, où en identifiant deux modules protéiques clés (les &ldquoLegos&rdquo dans ce cas) et en les rassemblant, nous peut fabriquer des cellules immunitaires de patients et ainsi traiter leurs cancers. Les chercheurs et les entrepreneurs ont utilisé cet aspect fondamental de la biologie pour programmer les cellules, en préparant essentiellement à partir de toutes les protéines de la cellule un ensemble limité qui « joue bien les uns avec les autres » et le reste de la cellule à utiliser comme un ensemble de Legos pour construire des circuits génétiques.

Une fois que nous avons identifié les Legos en biologie et leurs propriétés, nous pouvons les concevoir et même les mélanger et les assortir pour concevoir de nouvelles fonctionnalités.

PRINCIPE 2 : RÉPÉTABILITÉ ET REPRODUCTIBILITÉ

L'irreproductibilité est une crise majeure de la biologie moderne, en particulier lorsqu'il s'agit de publier des articles et d'être incapable de reproduire les résultats. Mais la reproductibilité est une caractéristique essentielle d'une approche de la biologie basée sur l'ingénierie, il est, par définition, impossible de concevoir un processus sans reproductibilité.

L'une des principales causes d'irreproductibilité en biologie est la pré-révolution industrielle, la nature sur mesure (littéralement, artisanale) des expériences biologiques, même aujourd'hui. Cela rend la plupart des expériences plus artistiques que scientifiques. Mais la technologie moderne rend le processus de biologie beaucoup plus reproductible, des problèmes de cohérence des réactifs aux problèmes de réexécution et de débogage. La robotique est l'un des moyens les plus évidents, avec des mouvements exacts maintenant effectués avec la précision d'une machine et dirigés par un logiciel.

L'apprentissage automatique joue également un rôle important. L'identification de biomarqueurs (substances chimiques que nous pouvons mesurer puis cibler) pour la maladie est actuellement motivée par la découverte via un processus unique et sur mesure, de sorte que la découverte du PSA pour le cancer de la prostate, par exemple, ne suggère pas de biomarqueur pour le cancer de l'ovaire. Cependant, l'introduction de l'apprentissage automatique dans le processus peut transformer cet artisanat en production à la chaîne. De plus, nous apprenons à la machine à pêcher, permettant non seulement la reproductibilité, mais aussi l'amélioration de la précision au fil du temps, grâce aux entrées de données brutes supplémentaires et à l'identification de modèles complexes que les humains sont incapables de voir.

Un certain nombre d'entreprises le font déjà. La dernière montre d'Apple a été présentée comme le "moment de l'iPhone" où les appareils portables grand public pourraient se "transformer en appareils de qualité médicale". . Mais plus particulièrement&mdashoù la biologie devient ingénierie&mdashis la capacité de prendre le même processus qu'ils utilisent pour détecter les maladies cardiaques, puis prédire la maladie des patients dans de nombreux autre également (hypertension, apnée du sommeil et diabète de type 2).

Ces entreprises axées sur l'apprentissage automatique, qui peuvent également détecter le cancer à un stade précoce ou identifier des biomarqueurs liés à la longévité, ont toutes conçu une sorte de « ligne d'usine ». Avec les bons ingrédients d'entrée, elles peuvent désormais produire en masse de nombreux tests de manière prévisible, précise et reproductible. C'est encore une autre façon dont le sophisme de Grove est faux. Les avancées massives dans les puces informatiques (loi Moore), le stockage (loi de Kryder) et la génomique et mdashall exponentiel diminution des coûts, 1 000 fois sur une décennie et vient simplement d'une amélioration de 30 % d'une année sur l'autre. En biologie, une meilleure reproductibilité, une amélioration progressive au fil du temps et une plus grande précision s'ajoutent à des progrès encore plus massifs, car même un peu va très loin.

PRINCIPLE 3: TESTING AND PROCESS ENGINEERING

Testing is the ability to understand exactly where a given product/diagnostic/drug stands, and while the need for testing is obvious, how to test and what metrics to measure success are not. So, the choice and engineering of key performance indicators (KPIs) is critically important here without this guiding compass, a project could go in the wrong direction.

KPIs are used all the time in engineering, and in all businesses, as a way to define and measure success (or at the very least, progress). But &ldquotraditional&rdquo biology experiments and drug development haven&rsquot used the concept, since biology was conceptually driven by discovery: how can you assign a KPI when you don&rsquot know what you&rsquoll discover? Now, a new wave of bio startups&mdashdrawing on engineering and computer science&mdashare identifying KPIs for measuring molecules synthesized to protein expression, numbers of cells screened, and much more.

The critical part is determining what the right KPIs are, and in engineering biology, there are few precedents, so this can be challenging. But much like in medicine more broadly, the basic principle is: what can be measured can be improved, and those improvements can have huge payoffs. In fact, the evolution from subjective intuition to objective measure is itself another indicator of moving from discovery (biology) to design (engineering), and fits more into Grove&rsquos worldview.

PRINCIPLE 4: BORROWING FROM OTHER DISCIPLINES

An obvious approach to bring engineering into biology is to apply existing engineering disciplines&mdashmaterials, chemical, electrical, mechanical, and so on&mdashin the biological realm. Until recently, the ability to quantitatively test and iterate biology was greatly limited. But the rise of numerous, novel quantitative measurements of biology&mdashi.e., big data sets in biology&mdashhas opened the door to incorporating other engineering approaches.

For example, there are also companies out there using mechanical engineering principles to bring simulations to predicting the outcomes of surgeries, so that treatments can be engineered, instead of discovering through trial-and-error on patients. By applying the materials-science based engineering technology he learned in solar cell materials design to food, James Rogers used techniques from nanoscience to create nanoscopic barriers that protect fruits and vegetables from spoilage. This isn&rsquot biomimicry, but a way of borrowing the fundamentals of engineering from other disciplines to harness biology.

PRINCIPLE 5: REINVENTING THE PROCESS ITSELF

Engineers at NASA in 1962 could perhaps imagine going to the moon, but how would they even début? The short answer: By breaking the problem down into parts, and then breaking the process down into steps. And then by having versions (to borrow from the analogy of software). It wasn&rsquot Apollo 1 that went to the moon, but Apollo 11.

Such &ldquobig hairy audacious goals&rdquo (aka BHAGs) are daunting, seemingly impossible aspirations. The key here is the ability to think long-term, to project and to plan forward&mdashmuch as one does when designing any other engineering-based roadmap. So, the Apollo team, like most engineers, broke things down into more doable steps of engineering put together, those steps created the stuff of dreams.

The challenge in biology lies in breaking down the problem into steps and often reinventing the process itself. But once the desire to consistently improve performance (what Grove was suggesting in the first place) moves biology from bespoke, artisanal approaches to designed, scalable processes, even seemingly modest performance increases can make a difference. A 1 percent increase performed weekly, for instance, would lead to almost doubling in a year and a tripling in two years, and in biology, such improvements could have huge impact.

Andy Grove did not found Intel, but he was there early and was deeply influenced not just by manufacturing methods for management but by &ldquothe law&rdquo (that the number of transistors in a circuit doubles every couple years) proposed by Intel co-founder Gordon Moore. However, Moore&rsquos isn&rsquot a law of physics but of economics and arose from an engineering push that continued across different technologies, different teams, different decades. It&rsquos a law of will, imposed by man, not nature.

In biology, we&rsquove already surpassed Moore&rsquos Law the cost of genomics has come down over a million-fold in two decades. Why can&rsquot we carry this process to other areas in bio as well? The question now isn&rsquot whether this is possible in biology or not, as the Grove fallacy argued, but comment to do it, given where we are in engineering biology today.

Les opinions exprimées sont celles des auteurs et ne sont pas nécessairement celles de Scientific American.

À PROPOS DES AUTEURS)

Vijay Pande, PhD, is a general partner at Andreessen Horowitz where he leads the firm's investments in companies at the cross section of biology and computer science including areas such as the application of computation, Machine Learning, and Artificial Intelligence broadly into Biology and Healthcare as well as the application of novel transformative scientific advances. Pande is also an Adjunct Professor of Bioengineering at Stanford University previously, he was the Henry Dreyfus Professor of Chemistry and Professor of Structural Biology and of Computer Science there.


Scaffold design and manufacture

As the field of tissue engineering progresses, the need for novel scaffold structures and reproducible fabrication techniques has become of paramount importance. The use of biodegradable polymers, such as poly lactic acid (PLA), has become widespread, but the manner in which these polymers are processed and the additives used at the time of manufacture allows the final properties of the scaffold to be tailored.

Some of the scaffold types discussed include: high-pressure CO2 foamed scaffolds, injectable scaffolds, novel custom scaffolds and how these can be further modified using growth factors, zonation of materials and plasma polymerization deposition.

Poly-hydroxyl acids such as PLA and poly lactic-co-glycolic acid (PLGA) have been extensively used for tissue engineering procedures, as these materials bulk-degrade by hydrolysis, providing a controllable drug release and degradation profile to match tissue in-growth. With careful use of molecular weights, cross links and side chains, materials can be produced with tailor-made properties making them ideal for use in tissue engineering matrices. Furthermore, poly-hydroxyl acid materials also have a long history of in vivo usage as degradable sutures, drug delivery devices and biodegradable surgical components.

Injectable materials for tissue engineering/regenerative medicine

A scaffold developed for orthopaedic use is ‘Injectabone’, a novel biodegradable, particulate, scaffold system which can be injected into a site of bone trauma (Hamilton et al. 2006). The scaffold forms via the use of two types of PLGA microparticles. Type 1 is a temperature-sensitive PLGA/polyethylene glycol (PEG) composite that acts as an adhesive for the type II PLGA particles. The dynamics of this scaffold type allows injection at room temperature and solidification at body temperature allowing for a non-invasive delivery system for treatment of non-union bone defects.

Microparticles are small enough to be delivered by syringe and can be used as an injectable scaffold by incorporating temperature and mositure sensitive or adherent systems. These versatile subunits can be produced using droplet formation of solvents (Suciati et al. 2006) or by spraying (Hao et al. 2004 Whitaker et al. 2005). Setting of a microparticle slurry was initially performed using the attraction between biotin in one set of beads and avidin in another. Furthermore, live cells could be incorporated into this system such that scaffolds could be injected containing evenly distributed cells. The range of applications can be increased with the incorporation of various drugs and surface modifications.

Growth factor incorporation into scaffolds

In addition to scaffolds being used as a support for cell growth they can simultaneously be used as a vehicle for drug delivery. In theory, the scaffolds can be used to deliver growth factors/drugs to the sites of repair, thus expediting the recovery process. Owing to the kinetics and complexity of biological growth factor release, the process has required extensive investigation. One of the major issues is maintaining the conformation and function of proteins during the process of scaffold manufacture. However, once this issue has been solved many more complications lie ahead, including the control of growth factor release to match the kinetics of physiological processes, as well as the independent release of many factors at different stages.

Recently, vascular endothelial growth factor (VEGF), a peptide growth factor, has been incorporated into PLA scaffolds to provide a controlled release of angiogenic signals from a scaffold (Kanczler et al. 2007). Release of bioactive VEGF was confirmed using the in vitro human umbilical vascular endothelial cell (HUVEC) assay and in vivo chick allantoic membrane (CAM) angiogenesis assay. It was demonstrated that the VEGF retained its angiogenic properties and encouraged vascularization of the PLA scaffold.

Growth factors can also be attached to the surface of scaffolds following manufacture through the use of functional groups to chemically attach the proteins and/or drugs. Chen et al. (2006) used this method to attach basic firoblastic growth factors (bFGF) to the surface of alginate beads via an –NH functional group. This scaffold provided a microenvironment permissive for the growth and differentiation of human neuronal stem cells prior to their use in tissue engineering procedures.

The function of growth factor incorporation can be further enhanced by zoning, offering an interesting way of controlling tissue integration and development, which potentially allows the regionalized release of proteins to act on specific cell populations or initiate physiological processes, i.e. angiogenesis, at particular sites throughout scaffolds. This system has been demonstrated by Suciati et al. 2006, in which PLA/PEG microparticles were loaded with proteins such as horseradish peroxidase, trypsin or BMP-2. These particles were then sintered to form distinct layers. These scaffolds could maintain release over a period of up to 30 days, with the BMP-2 loaded particles able to initiate zonal osteogenic differentiation of responsive C2C12 cells in vitro.

An alternative to growth factor incorporation is to integrate DNA plasmids encoding a gene and mammalian promoter into the polymer transfection with the DNA programmes the cells to produce their own growth factors. Once optimized, changing the inserted gene to alter the growth factor produced would allow a range of factors to be produced however, uptake rates and toxicity are still major issues to this promising technique (Heyde et al. 2007).

Supercritical carbon dioxide processing of polymers

Processing of polymers into reticulated tissue engineering scaffolds often requires organic solvents and a method to provide pores, such as inclusion of salt granules, which are later removed by leaching, or by addition of blowing or foaming agents. Organic solvents, used in scaffold fabrication, such as dichloromethane, also often interact with many sensitive structural motifs found in peptide drugs, and can leave toxic residues behind (the upper FDA limit for DCM residues is only 600 parts per million).

Supercritical CO2 forms a phase between liquid and gas ( Fig. 3 ) that is able to penetrate many polymers and plasticize them. Evaporation results in solidification of the polymer and can be controlled to fuse separate bubble nucleation points, providing a reticulated and interconnected scaffold with a high strength to weight ratio ( Fig. 4 ). Supercritical CO2 is also able to incorporate peptide drugs with minimal damage (Kanczler et al. 2007) if exposed briefly it is sufficiently inert to incorporate living cells by plasticizing a scaffold around cells (Ginty et al. 2006). The use of CO2 is not without limitations, as careful control of the supercritical foaming process is key to the correct formation of interconnected chamber structures and the use of this process requires quality control of the scaffolds produced. However, the structures produced are architecturally very strong and the ability easily to incorporate otherwise sensitive peptide drugs is a major advantage.


Clinical treatments that introduce living cellular material into a patient. They may engraft in the body, leading to long-term replacement of damaged or missing tissue, or stimulate endogenous repair and promote endogenous viability.

(ESC). A type of pluripotent stem cell, derived from the inner cell mass of the developing embryo, that is responsible for giving rise to all of the cells in the developing fetus but not the extra-embryonic tissues.

A minimal and miniaturized organ that is developed from a suspension of stem cells in vitro. These stem cells undergo division and self-organization to give rise to a 3D structure that mimics the anatomy of organs in the body. Thus, organoids can serve as models for understanding organ development and for modelling disease states.

A cell’s identity based on its expression of genetic, proteomic and epigenetic markers but also in terms of its functional abilities. Cell fate determines a cell’s self-renewal ability, proliferative ability, differentiation potential, survival and motility.

A form of cellular signalling in which secreted chemicals bind to receptors on the same cell. By contrast, juxtacrine and paracrine signalling induce responses in neighbouring cells, either through direct contact (juxtacrine) or secreted chemicals (paracrine).

(ECM). A collection of extracellular molecules, including proteins, proteoglycans and polysaccharides, that supports the growth of nearby cells by providing biomechanical and biochemical cues. It enables cell adhesion and cell–cell communication.

(GRNs). A set of genes and their direct and indirect regulatory interactions with one another. GRNs are akin to decision-making computational circuits that serve to process input signals and generate robust outputs in cell behaviour.

Interaction patterns that recur more frequently than in randomized networks — for example, negative autoregulation (or ‘autorepression’) and the feedforward loop.

The in vivo microenvironments in which stem cells reside that regulate their homeostasis and fate choices.

The process by which developing organisms acquire their structure and shape.

Probabilistic models that relate the dependencies of the expression of a set of genes on one another through a directed graph.

Models of gene regulatory networks that can predict gene expression outcomes given the initial state of genes in the network as well as the derivation of steady-state gene expression status.

Artificial neural networks

Networks composed of nodes, which can be genes, that process and transmit information. The output of each node is a nonlinear function of a sum of its regulatory inputs.

Ordinary differential equations

A mathematical framework capturing gene expression dynamics as a function of the presence of regulators and the rate of change of mRNA and/or protein concentration due to production and degradation.

The process of analysing a system to uncover underlying design rules to create representations of the system at higher levels of abstraction (inverse of forward engineering).

The iterative process by which a system is designed, prototyped, tested and further optimized from a model (the classical engineering design process).

Technology that enables transfer of miniature ‘islands’ of extracellular matrix proteins to enforce control of the shape and size of adherent cells either as single cells or cell colonies.

The characteristic of a cell that makes it a stem cell. That is, the ability to self-renew and differentiate to specify to different cell types.

Vessels in which biological species, such as stem cells and their progeny, are grown, maintained and manipulated in a controlled environment (pH, oxygen and media change) for cell manufacturing pipelines.

Utilization of printing techniques ranging from inkjet printers to 3D printers to combine cells, biomaterials, extracellular matrix, growth factors, etc. to fabricate complex tissue surrogates in vitro.

A process during embryogenesis in which cell fates are allocated or ‘patterned’ as a function of space and time.

Signalling molecules, typically soluble chemicals, for which the asymmetric distribution in a developing tissue gives rise to fate patterning and morphogenesis.


Stem Cells and Functional Tissue Laboratory

The Laboratory for Stem Cells and Functional Tissue Engineering, directed by Prof. Gordana Vunjak-Novakovic, is well-known for tissue engineering of functional human grafts using stem cells in conjunction with biomaterial scaffolds custom-designed to mimic the native tissue matrix and advanced bioreactors. The cells are employed as actual &ldquoarchitects&rdquo of the tissue, the scaffold serves as a template for tissue formation, and the bioreactor provides a controlled environment for functional tissue assembly. A &ldquobiomimetic&rdquo approach to tissue engineering is pursued, where the design of scaffolds and bioreactors are inspired by the native developmental milieu, in order to direct the cells to differentiate into the right phenotype and form the right tissues.


Biology-Inspired Engineering and Engineering-Inspired Biology

Biology has been an important inspiration for developments in all aspects (e.g. designs) of engineering (e.g., robots), i.e., biology-inspired engineering (BIE). Bio-inspired attachment systems, bio-inspired sensors, bio-inspired materials, etc. have enabled robots to produce robust and comparable behaviors .

Biology has been an important inspiration for developments in all aspects (e.g. designs) of engineering (e.g., robots), i.e., biology-inspired engineering (BIE). Bio-inspired attachment systems, bio-inspired sensors, bio-inspired materials, etc. have enabled robots to produce robust and comparable behaviors to their biological counterparts. Owing to the biologically comparable behaviors, interdisciplinary biologists tend to flip the approach, i.e., engineering-inspired biology (EIB) whereby engineering systems and principles are utilized to initiate and test new hypotheses in biological research. For example, robots have been used as tools to investigate and test animal functions. However, the mutual inspirations and enhancements between biology and engineering remain an open question in many types of research.

This Research topic welcomes articles from the fields of bionic science and engineering including, but not limited to, the following topics: Bio-inspired robotics, bio-inspired sensors and actuators, bio-inspired energy storage, bio-inspired flexible electronics, bio-inspired solar cells, biomimetic engineering, embodied artificial intelligence and neurorobotics, functional morphology, musculoskeletal systems, biomechanics, biological interface and functionalization, biomimetic materials, biomimetic structures and mechanics, biomimetic surfaces, biomimetic designs and methodologies, bionic fluid, biological systems, and brain-inspired computing and neuromorphic systems.

Mots clés: Bio-inspired flexible electronics, Bio-inspired robotics, Biomimetic engineering, Bionic fluid, Musculoskeletal systems

Note importante: Toutes les contributions à ce sujet de recherche doivent être dans le cadre de la section et de la revue auxquelles elles sont soumises, telles que définies dans leurs déclarations de mission. Frontiers se réserve le droit de guider un manuscrit hors champ vers une section ou une revue plus appropriée à n'importe quel stade de l'examen par les pairs.


Synthetic biology

Most of the efforts of biological research, both in studying healthy organisms as well as disease states, is focused either on studying the whole live cell (or organism), or on studying isolated reactions between few purified and well defined components in vitro. Most biological processes are not isolated events of interaction between few components, but rather complex interconnected networks built of often multifunctional nodes (proteins acting on many targets). Les in vitro studies give results that are less relevant to natural biology – since an experiment with a few purified components does not acknowledge the vast complexity of a natural system. On the other hand, live cell studies are notoriously hard to reproduce and interpret, due to the variability between live subjects, as well as due to the inherent complexity of biology (cross-talk between the studied process and other pathways, or background signal from unrelated processes is often present).
Synthetic minimal cells deliver a solution bridging the existing gap between in vitro and live cell research: use synthetic minimal cells to investigate multicomponent gene pathways, combining the advantages of in vitro systems with the relevancy and complexity approaching that of whole cell studies.

Reading and controlling cells is the core purpose of modern synthetic biology, and the overarching goal of all biomedical studies. Both studying mechanisms of most diseases, as well as investigating healthy cellular processes, is currently done as either in vitro or live cell experiments. In vitro research methods are easy to use, cheap and efficient way to obtain information about behavior of specific, well defined protein or nucleic acid complexes or single enzymes, or to characterize small molecule interactions between metabolites or drugs and their specific biological targets. However, since life is structured in complexes that involve many components organized in precise 3D assemblies, the in vitro experiments often only deliver information about small snapshot of this complex, natural system. Studies of live cells allow to obtain truly biologically relevant information about complex pathways, but at significantly higher cost, and with results that are harder to interpret and often less reproducible. The variability between live cell subjects and the underlying intricacy of interconnected biological networks constantly interacting with each other makes signal measured in live cell experiments often more noisy and the experiment itself difficult to design.
Synthetic minimal cells offer a platform that allows studying complex genetic pathways, while keeping the complexity of the system at a level that still allows us understanding fully what the system contains and how to engineer it. Our research focuses on building tools for general use in many areas of synthetic biology, as well as studying some specific cases of complex biological processes, both healthy and diseased, that are not accessible by studying natural complex cells.


Research with Jonas Salk and Christiaan Barnard

Developed Polio Vaccine

J. Supramol. Struct 18233 (1979)
Lanza (with Salk)

Work with Christiaan Barnard

Performed the World’s First Heart Transplant

New England Journal of Medicine 307 1275 (1982)
Lanza (with Barnard & Cooper)

JAMA 249 1746 (1983)
Lanza (with Barnard, Cooper & Cassidy)

American Heart Journal 107 8 (1984)
Lanza (with Barnard, Cooper & Boyd)


Voir la vidéo: Jeunesse Longevity TV - Episode 7 - Les cellules souches (Décembre 2022).