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科學家們建立了數學工具來預測遺傳電路的性能

文章作者:www.utbltn.icu發布時間:2020-01-23瀏覽次數:1544

萊斯大學和休斯頓大學的研究人員開發了數學模型來預測多輸入合成生物電路的性能。該電路可用于設計細菌和其他生物,以調節細胞系統或執行它們沒有的功能。

合成生物學家擁有用于構建感知或觸發細胞活動的復雜的,類似計算機的DNA電路的工具。感謝萊斯大學和休斯頓大學的科學家,他們現在可以提前測試這些電路。

水稻合成生物學家Matthew Bennett和休斯頓大學的數學家William Ott領導開發模型來預測定制基因回路的輸出,例如,可以促使他們開始或停止蛋白質生產。他們的工作在美國化學學會期刊ACS Synthetic Biology中有所描述。

合成生物電路背后的想法似乎很簡單。它們是蛋白質和配體的組合,其響應于細胞中的特定條件而打開或關閉基因表達。該電路可用于設計細菌和其他生物,以調節細胞系統或執行它們沒有的功能。

這種方法可以實現微生物編程的前所未專家預計該領域將徹底改變生物傳感器,為患者提供益生菌等定制醫療方法,并促進通過轉基因細菌控制有用化學品的生產。

令人擔憂的是,設計新電路的能力超過了表征它們的能力,數百種遺傳部分以數千種方式組合在一起。并且根據細胞環境,相同的組合可導致不同的結果。 Bennett說,新工作是通過消除大多數測試和錯誤來解決這些問題的一步。

Bennett和Ott的初始建模目標是多輸入合成啟動子,在開始或停止特定蛋白質生產之前需要滿足多個條件。例如,可以設計啟動子以感測細胞周圍的環境并僅在檢測到兩種化學物質時觸發特定蛋白質的產生。

“合成生物學的第一個問題之一是獲得足夠的零件來組裝更大的電路,”Bennett說。 “現在我們有了這些組件,我們面臨著預測這些新電路將如何運行的任務。

“有許多方法可以構建一個多輸入啟動子,可以打開和關閉基因的DNA部分,”Bennett說。 “這些構建體允許細胞同時感知多種環境條件,以確定是否應打開或關閉基因。”

Bennett說團隊探索了不同的系統建模方法來預測它們的工作方式。這些模型使用來自簡單獨立電路的輸入/輸出關系的信息,然后預測它們將如何協同工作。

第一個“幼稚”模型使用來自單輸入系統的數據,該系統檢測抑制嵌合轉錄因子轉錄的配體的存在。結合多個電路的數據,研究人員可以準確預測具有兩個嵌合體的雙輸入電路中的開關響應。

Rice Laboratories通過使用嵌合“AND”門設計細菌來證實該模型的預測,該門需要存在兩個配體以誘導熒光蛋白的產生。改變配體水平會改變曲線上的熒光輸出,這非常符合模型的預測。

Bennett說,第二個更復雜的模型預測了輸入組合的整個環境中電路的輸出。這需要使用來自實驗雙輸入系統的一小組數據“通知”模型,并且需要更多實驗來驗證模型的準確性。

該實驗室還在多輸入混合啟動子上測試了每個模型,包括激活器(在開關上)和降壓器(關閉開關)。無辜模型有時會屈服于信號分子之間的串擾,但知情模型繼續產生準確的預測。

“這提供了一種更有效地設計和構建大型合成基因環的方法,”Bennett說。 “我們可以通過在計算機中建模電子電路來預測電子電路是如何工作的。現在我們也可以通過這些遺傳電路來實現這一點。”

他說,這種天真的模型將有助于預測明確表征的單輸入設備的行為,而無需額外的實驗室工作,而知情模型將幫助研究人員設計微生物,用于復雜,不斷變化的環境,如腸道。微生物或土壤。

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