Descrizione del progetto
Espressione genica con risoluzione a singola molecola
Il progetto DYNOME, finanziato dall’UE, studierà la cinetica dell’espressione genica delle singole cellule con risoluzione a singola molecola, per comprendere meglio il modo in cui la variabilità biologica deriva dalle leggi della statistica. La ricerca combina diversi approcci innovativi: una strategia di individuazione e decolorazione a super-risoluzione, un’etichettatura multicolore per monitorare fino a sei geni in parallelo, strumenti di tracciamento del lignaggio, e bioreattori lab-on-a-chip per controllare le condizioni di crescita. Questa piattaforma di biodinamica consentirà il monitoraggio della dinamica dell’espressione genica a livello di singola molecola in singole cellule nello stesso momento per vari geni nel corso di molte generazioni. In quanto modello di sistema, DYNOME utilizzerà eventi stocastici nel processo decisionale di batteri e cellule eucariote, che coinvolgono un cambiamento stocastico di fenotipo (Bacillus subtilis), lo sviluppo di farmacoresistenza non genetica (Escherichia coli), e il controllo del ciclo cellulare (Saccharomyces cerevisiae). Decifrare l’individualità cellulare con modelli cinetici rappresenterà una svolta per lo sviluppo di farmaci contro le invasioni batteriche, per la progettazione di nuove funzionalità delle cellule, e per il concetto generale di variabilità biologiche.
Obiettivo
Gene expression is an inherently stochastic process. Random expression bursts cause tremendous cell-to-cell variations in mRNA and protein levels. The consequences are beneficial in some instances, e.g. in cell differentiation, and harmful in others, e.g. in bacterial drug tolerance. A key interest in biology is therefore to decipher the kinetics that characterise this noise. What is the distribution of transcription rates in a cell population? Are gene expression dynamics heritable? Do gene networks communicate via the Morse code of expression burst? Detailed answers to these questions are pending due to insufficient methods to temporally resolve gene expression noise at single-molecule resolution. A transparent cell is needed for which transcription and translation kinetics is accessible for many genes in parallel. DYNOME is my answer to this challenge. DYNOME combines (i) a super-resolution detect-and-bleach strategy, (ii) multi-colour barcoding to monitor up to six genes in parallel, (iii) a lineage tracking tool, and (iv), lab-on-a-chip bioreactors to steer growth conditions. Using this innovative bio-dynamics platform, I will monitor gene expression dynamics at the single-molecule level for many genes in single cells at the same time over many generations. My targets for DYNOME are stochastic decision-making events in bacteria and in eukaryotic cells that include (i) a stochastic phenotype switch (B. subtilis), (ii) the development of non-genetic drug resistance (E. coli), and (iii) cell cycle control (S. cerevisiae). The results will reach far beyond these organisms. Decrypting cell-individuality with kinetic models will be a breakthrough both in basic and in applied sciences with impacts on the development of drugs against bacterial invasions, the design of new and useful functionalities in cells, and on our understanding of how biological variability arises from the laws of statistical physics.
Campo scientifico (EuroSciVoc)
CORDIS classifica i progetti con EuroSciVoc, una tassonomia multilingue dei campi scientifici, attraverso un processo semi-automatico basato su tecniche NLP. Cfr.: https://op.europa.eu/en/web/eu-vocabularies/euroscivoc.
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Israele