Synthetic biology methodology and model refinement based on microelectronic modeling tools and languages

Abstract

In microelectronics, the design of new systems is based on a proven time-tested design flow. The goal of this paper is to determine to what extend this design flow can be adapted to biosystem design. The presented methodology is based on a top-down approach and consists of starting with a behavioral description of the system to progressively refine it to its final low-level system representation, composed of DNA parts. To preserve accuracy and simplicity, the design flow relies on refined models of biological mechanisms, which can be expressed by the hardware description languages and simulation tools traditionally used in microelectronics. A case study, the complete modeling of a priority encoder, is presented to demonstrate the effectiveness of the method.

Application à la biologie synthétique des méthodes et outils de CAO de la microélectronique

“…Nous retrouvons ici le rôle d'un transistor en électronique (modulation du courant traversant le transistor en fonction du potentiel de grille 5 ). Ainsi, un système biologique peut être vu comme un circuit électronique qui sera composé de résistances, de condensateurs et de « transistors biologiques » modélisant les interactions (activation et inhibition) entre les espèces ( Figure 1E) [27].…”

Introduction à la biologie synthétique et au développement d’outils de conception dédiés

“…L'équipe SMH d'ICube a donc exploré cette voie et a mis en avant plusieurs manières d'écrire ces modèles en exploitant au maximum le potentiel des langages. L'approche conservative multi-domaines semble être la plus proche de la réalité biologique [9]. Contrairement à la microélectronique, où les électrons sont les seuls à porter l'information, en biologie, plusieurs molécules interagissent entre elles et il y a donc plusieurs vecteurs d'information.…”

“…Des études préliminaires ont montré le potentiel de cette nouvelle approche et nous ont donc encouragés à démarrer cette élaboration d'outils [9]. Outre le volet recherche, nous avons également mis en place des modules d'ouverture et de formation à ces problématiques dans le cadre de la formation d'ingénieur généraliste et de la nouvelle formation TIC-Santé de Telecom Physique Strasbourg (http://telecom-physique.fr).…”

Synthetic Biology and Microdevices

“…In other engineering disciplines, like mechanical and electronic engineering, design processes of new functional devices are accompanied by computer-aided design (CAD) tools, increasing the speed of the design process and as a consequence decreasing the development cost. Recently, the electronic design automation (EDA) in electronics has been described as an inspiring model for synthetic biology [Gendrault et al 2011;Lux et al 2011]. This model contains an iterative design flow in which CAD models are used for the a priori design of an electronic circuit to meet the specifications of a desired system.…”