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科学家们建立了数学工具来预测遗传电路的性能

文章作者:www.cs-vaccine.com发布时间:2020-01-23浏览次数:1544

莱斯大学和休斯顿大学的研究人员开发了数学模型来预测多输入合成生物电路的性能。该电路可用于设计细菌和其他生物,以调节细胞系统或执行它们没有的功能。

合成生物学家拥有用于构建感知或触发细胞活动的复杂的,类似计算机的DNA电路的工具。感谢莱斯大学和休斯顿大学的科学家,他们现在可以提前测试这些电路。

水稻合成生物学家Matthew Bennett和休斯顿大学的数学家William Ott领导开发模型来预测定制基因回路的输出,例如,可以促使他们开始或停止蛋白质生产。他们的工作在美国化学学会期刊ACS Synthetic Biology中有所描述。

合成生物电路背后的想法似乎很简单。它们是蛋白质和配体的组合,其响应于细胞中的特定条件而打开或关闭基因表达。该电路可用于设计细菌和其他生物,以调节细胞系统或执行它们没有的功能。

这种方法可以实现微生物编程的前所未专家预计该领域将彻底改变生物传感器,为患者提供益生菌等定制医疗方法,并促进通过转基因细菌控制有用化学品的生产。

令人担忧的是,设计新电路的能力超过了表征它们的能力,数百种遗传部分以数千种方式组合在一起。并且根据细胞环境,相同的组合可导致不同的结果。 Bennett说,新工作是通过消除大多数测试和错误来解决这些问题的一步。

Bennett和Ott的初始建模目标是多输入合成启动子,在开始或停止特定蛋白质生产之前需要满足多个条件。例如,可以设计启动子以感测细胞周围的环境并仅在检测到两种化学物质时触发特定蛋白质的产生。

“合成生物学的第一个问题之一是获得足够的零件来组装更大的电路,”Bennett说。 “现在我们有了这些组件,我们面临着预测这些新电路将如何运行的任务。

“有许多方法可以构建一个多输入启动子,可以打开和关闭基因的DNA部分,”Bennett说。 “这些构建体允许细胞同时感知多种环境条件,以确定是否应打开或关闭基因。”

Bennett说团队探索了不同的系统建模方法来预测它们的工作方式。这些模型使用来自简单独立电路的输入/输出关系的信息,然后预测它们将如何协同工作。

第一个“幼稚”模型使用来自单输入系统的数据,该系统检测抑制嵌合转录因子转录的配体的存在。结合多个电路的数据,研究人员可以准确预测具有两个嵌合体的双输入电路中的开关响应。

Rice Laboratories通过使用嵌合“AND”门设计细菌来证实该模型的预测,该门需要存在两个配体以诱导荧光蛋白的产生。改变配体水平会改变曲线上的荧光输出,这非常符合模型的预测。

Bennett说,第二个更复杂的模型预测了输入组合的整个环境中电路的输出。这需要使用来自实验双输入系统的一小组数据“通知”模型,并且需要更多实验来验证模型的准确性。

该实验室还在多输入混合启动子上测试了每个模型,包括激活器(在开关上)和降压器(关闭开关)。无辜模型有时会屈服于信号分子之间的串扰,但知情模型继续产生准确的预测。

“这提供了一种更有效地设计和构建大型合成基因环的方法,”Bennett说。 “我们可以通过在计算机中建模电子电路来预测电子电路是如何工作的。现在我们也可以通过这些遗传电路来实现这一点。”

他说,这种天真的模型将有助于预测明确表征的单输入设备的行为,而无需额外的实验室工作,而知情模型将帮助研究人员设计微生物,用于复杂,不断变化的环境,如肠道。微生物或土壤。