External Control of the GAL Network in S. cerevisiae: A View from Control Theory

While there is a vast literature on the control systems that cells utilize to regulate their own state, there is little published work on the formal application of control theory to the external regulation of cellular functions. This paper chooses the GAL network in S. cerevisiae as a well understood benchmark example to demonstrate how control theory can be employed to regulate intracellular mRNA levels via extracellular galactose. Based on a mathematical model reduced from the GAL network, we have demonstrated that a galactose dose necessary to drive and maintain the desired GAL genes' mRNA levels can be calculated in an analytic form. And thus, a proportional feedback control can be designed to precisely regulate the level of mRNA. The benefits of the proposed feedback control are extensively investigated in terms of stability and parameter sensitivity. This paper demonstrates that feedback control can both significantly accelerate the process to precisely regulate mRNA levels and enhance the robustness of the overall cellular control system

Competition-dispersal tradeoff ecologically differentiates recently speciated marine bacterioplankton populations

Although competition–dispersal tradeoffs are commonly invoked to explain species coexistence for animals and plants in spatially structured environments, such mechanisms for coexistence remain unknown for microorganisms. Here we show that two recently speciated marine bacterioplankton populations pursue different behavioral strategies to exploit nutrient particles in adaptation to the landscape of ephemeral nutrient patches characteristic of ocean water. These differences are mediated primarily by differential colonization of and dispersal among particles. Whereas one population is specialized to colonize particles by attaching and growing biofilms, the other is specialized to disperse among particles by rapidly detecting and swimming toward new particles, implying that it can better exploit short-lived patches. Because the two populations are very similar in their genomic composition, metabolic abilities, chemotactic sensitivity, and swimming speed, this fine-scale behavioral adaptation may have been responsible for the onset of the ecological differentiation between them. These results demonstrate that the principles of spatial ecology, traditionally applied at macroscales, can be extended to the ocean’s microscale to understand how the rich spatiotemporal structure of the resource landscape contributes to the fine-scale ecological differentiation and species coexistence among marine bacteria.Japan Society for the Promotion of ScienceNational Science Foundation (U.S.) (Grant OCE-0744641-CAREER)Gordon and Betty Moore Foundation (Microbial Initiative Investigator Award 3783)National Institutes of Health (U.S.) (Grant 1R01GM100473-01

Indirizzi operativi per la sorveglianza clinica e ambientale della legionellosi nelle strutture sanitarie e assistenziali della Regione Puglia

La prima epidemia di legionellosi, verificatasi nel luglio del 1976 durante l'American Legion Annua/ Convention a Philadelphia, fece registrare oltre 200 casi con 34 decessi. Solo un anno più tardi, nei laboratori dei Centers far Disease Contrai and Prevention (CDC) dì Atlanta , fu isolato e identificato il microrganismo che, in memoria della prima epidemia, fu chiamato Legionella pneumophila. la sorgente dell' infezione fu individuata nell' impianto di aria condizionata presente nell'hotel. La scoperta suscitò un grande interesse, tale da incoraggiare alcuni studiosi ad effettuare indagini sierologiche retrospettive su campioni di siero provenienti da soggetti affetti da polmonite di origine sconosciuta. Fu possibile in tal modo risalire ad altri episodi epidemici, quali gli eventi accaduti nel 1965 tra i pazienti dell'Ospedale Psichiatrico St. Elisabeth di Washington e nel 1968 tra coloro che lavoravano nel Servizio di Sanità Pubblica di Pontiac (in Michigan). In seguito, si verificarono altre epidemie che hanno contribuito ad approfondire le conoscenze scientifiche non solo sull'etiologia, patogenesi, diagnosi e terapia della legionellosi, ma anche sulle caratteristiche biochimiche, morfologiche e immunologiche dell'agente patogeno, compreso il suo habitat natura le. In Italia, il primo focolaio epidemico risale al 1978 sul Lago di Garda ed interessò 10 soggetti. Da allora le segnalazioni di casi, sia sporadici sia epidemici , sono diventate sempre più frequ enti, anche se è difficile stabilire se questo incremento sia dovuto ad un reale aumento dell' incidenza, al perfezionam ento delle tecniche diagnostiche o ad una maggiore att enzione alla diagnosi e segnalazione dei casi. Nel Sud Italia, la Puglia è tra le regioni con il maggior numero di casi di legionellosi notificati [Notiziar io ISS 2017]. I fattori che rendono diff icile il controllo e la gestione del probl ema sono la disomogeneità nelle procedure di campionamento, le difformità negli intervent i di bonif ica, la scarsa esperienza nella gestione del rischio associato alle diverse concentrazioni di Legionella rilevate nelle reti idriche. L'entità del problema, per la sua complessità, richiede sempre piu un'accurata attenzione a causa delle pesanti conseguenze legali e di immagine che possono coinvolgere sia le strutture sanitarie sia quelle turistico-ricettive, pertanto la Giunta regionale ha approvato nel 2012 il documento Indirizzi per l'Adozione di un Sistema per la sorveglianza e il controllo delle infezioni da Legionella in Puglia, con il quale ha istituito un sistema di rete regionale formato da due livelli organizzativi: uno centrale e l'altro periferico [D.G.R. n. 2261/2012] . Il livello organizzativo centrale è rappresentato da un apposito Nucleo di Riferimento Regionale che definisce percorsi comun i e codificati nell'ambito delle attività di prevenzione e controllo della malattia ed esercita funzioni chiave per la governance del sistema . Il mandato strategico è quello di assumere l'impegno di "regolare" la rete, attraverso un ruolo di att ivazione, sviluppo e manutenzione di procedure codificate tra i componenti della rete stessa. Il livello organizzativo periferico , costituito dal Nucleo Operativo Territo riale presso ogni Azienda Sanitaria Locale, è incaricato delle attività in materia di prevenzione e controllo della legionellosi e rappresenta, a livello aziendale, il momento d'incontro e condivisione tra il Dipartimento di Prevenzione, la Direzione Sanitaria, i reparti di ricovero, i laborato ri di analisi aziendali, oltre che di coordinamento e collaborazione con l'Agenzia Regionale per la Prevenzione e la Protezione dell'Ambiente (ARPA) provinciale. I punti deboli di ogni strategia di controllo della legionellosi sono riportabili alla mancanza di una chiara correlazione dose-effetto e di una soglia limi te ben definita , ancora oggi associate all'impossibilità di bonificare il sistema idrico in maniera definitiva. Per ridurre il rischio e il numero dei casi di malattia , il presente documento si propone di pianificare un iter omogeneo di procedure da applicare per il controllo e la prevenzione della legionellosi, ponendosi nella linea della prevenzione primaria piuttosto che in quella dell'intervento al verificarsi dei casi. - Il presente documento è rivolto a tutte le strutture sanitarie e assistenziali della Regione Puglia e fornisce indicazioni su: 1. metodi più appropriati per lo screening e la diagnosi della legionellosi; 2. modalità di campionamento per la ricerca di Legionella negli impianti idrici e aeraulici; 3. sistemi efficaci per la sorveglianza e il controllo delle reti idriche; 4. procedure e mezzi per la bonifica e la ridu zione del rischio; 5. attività di comunicaz ione e formazione degli operatori sanitari e degli addetti al controllo; 6. responsabilità medico-legali connesse al verificarsi di casi di malattia associati alle strutture coinvolte

Developing optimal input design strategies in cancer systems biology with applications to microfluidic device engineering

<p>Abstract</p> <p>Background</p> <p>Mechanistic models are becoming more and more popular in Systems Biology; identification and control of models underlying biochemical pathways of interest in oncology is a primary goal in this field. Unfortunately the scarce availability of data still limits our understanding of the intrinsic characteristics of complex pathologies like cancer: acquiring information for a system understanding of complex reaction networks is time consuming and expensive. Stimulus response experiments (SRE) have been used to gain a deeper insight into the details of biochemical mechanisms underlying cell life and functioning. Optimisation of the input time-profile, however, still remains a major area of research due to the complexity of the problem and its relevance for the task of information retrieval in systems biology-related experiments.</p> <p>Results</p> <p>We have addressed the problem of quantifying the information associated to an experiment using the Fisher Information Matrix and we have proposed an optimal experimental design strategy based on evolutionary algorithm to cope with the problem of information gathering in Systems Biology. On the basis of the theoretical results obtained in the field of control systems theory, we have studied the dynamical properties of the signals to be used in cell stimulation. The results of this study have been used to develop a microfluidic device for the automation of the process of cell stimulation for system identification.</p> <p>Conclusion</p> <p>We have applied the proposed approach to the Epidermal Growth Factor Receptor pathway and we observed that it minimises the amount of parametric uncertainty associated to the identified model. A statistical framework based on Monte-Carlo estimations of the uncertainty ellipsoid confirmed the superiority of optimally designed experiments over canonical inputs. The proposed approach can be easily extended to multiobjective formulations that can also take advantage of identifiability analysis. Moreover, the availability of fully automated microfluidic platforms explicitly developed for the task of biochemical model identification will hopefully reduce the effects of the 'data rich-data poor' paradox in Systems Biology.</p

Online model selection for synthetic gene networks

Control algorithms combined with microfluidic devices and microscopy have enabled in vivo real-time control of protein expression in synthetic gene networks. Most control algorithms rely on the a priori availability of mathematical models of the gene networks to be controlled. These models are typically black/grey box models, which can be obtained through the use of data-driven techniques developed in the context of systems identification. Data-driven inference of both model structure and parameters is the main focus of this paper. There are two main challenges associated with the inference of dynamical models for real-time control of gene regulatory networks in living cells. Since biological systems are typically evolving over time, the first challenge stems from the fact that model selection needs to be done online, which prevents the application of computationally expensive identification algorithms iterating through large amounts of streaming data. The second challenge consists in performing nonlinear model selection, which is typically too burdensome for Kalman filtering related techniques due the heterogeneity and nonlinearity of the candidate models. In this paper, we combine sparse Bayesian techniques with classic Kalman filtering techniques to tackle these challenge

Design and implementation of a feedback control strategy for IRMA, a novel synthetic gene regulatory network

This paper is concerned with the design and implementation of a simple but effective switching control strategy to regulate the dynamics of synthetic gene networks. The testbed circuit is IRMA a recently developed network in S. Cerevisiae which is proposed as a good benchmark problem for control design. The proof-of-concept of an implementation of the control strategy in vivo is presented which is based on the use of microfluidics devices and fluorescence microscopy. Preliminary experimental results are given showing the good matching between the model predictive ability and the experimental observations

Analysis, design and implementation of a novel scheme for in-vivo control of synthetic gene regulatory networks

This paper is concerned with the design and implementation of a simple but effective switching control strategy to regulate the dynamics of synthetic gene networks. The testbed circuit is IRMA, a recently developed network in S. Cerevisiae which is proposed as a suitable benchmark problem for control design. The proof-of-concept of an implementation of the control strategy in vivo is presented which is based on the use of microfluidics devices and fluorescence microscopy. Preliminary experimental results are given showing the good matching between the model predictions and the experimental observations. (C) 2011 Elsevier Ltd. All rights reserved