Design of context-sensitive, multi-stable RNA molecules

Das Einbringen von kunstlicher Logik in biologische Kontrollsysteme ermoglicht es, das Verhalten von lebenden Zellen umzuprogrammieren. Dies hat vielerlei Anwendungen in der synthetischen Biologie, Biotechnologie und der Medizin. Dafur ist es notig, kunstlich Molekule mit definierter Funktionalitat zu generieren. Ribonukleinsaure (RNA) ist durch ihre enge Struktur-Funktions Beziehung, der Fahigkeit Umgebungsfaktoren zu detektieren und dadurch, dass sie enzymatische Reaktionen vollziehen kann, perfekt dafur geeignet. Der momentane Ansatz, RNA Molekule mit mehreren Zustanden, wie zum Beispiel Riboswitches, Thermoswitches oder sRNA kontrollierte Elemente, zu bauen, ist ein Arbeitsablauf mit mehreren Schritten. Idealerweise beinhaltet dieser eine ausfuhrliche Analyse des biologischen Systems, das computerunterstutzte Generieren und Optimieren von Sequenzen mit vordefinierten Eigenschaften, einen in silico Analyse- und Filterschritt, und experimentelle Bestatigung. Die Vision ist es, computerunterstutztes Entwerfen von RNA Bauteilen mit einer hohen Erfolgsquote moglich zu machen, wodurch der Laboraufwand signifikant reduziert wird. Ich entwickelte Methoden und Werkzeuge, um viele Schritte dieses Arbeitsablaufes zu verbessern. Ein Dynamischer Programmierungsalgorithmus basierend auf einer Graphfarbemethode erlaubt es, RNA Sequenzen mit vordefinierten Struktur- und Sequenzeigenschaften gleichverteilt zu ziehen. Die Implementierung, RNAblueprint, ermoglicht eine flexible Kombination mit beliebigen Evaluierungs- und Optimierungsmethoden. Neue Zielfunktionsterme beschreiben den Mechanismus von spezifischen RNA Bauteilen in umfangreicher Art und Weise. Wir verwenden Wahrscheinlichkeiten und Konzentrationen von Strukturelementen, Techniken um Ligandenbindung zu modellieren, streben spezifisches kinetisches Verhalten an, oder verwenden ausfuhrliche Transkriptions-/Translationsmodelle. Neuartige Visualisierungsinstrumente und das Anwenden von Filter- und Clustertechniken verbessern den Analyseschritt. Abschliesend werden Labormethoden vorgeschlagen, um die angestrebte Funktionalitat der konstruierten Systeme in ihrer Zielumgebung zu bestatigen.