Systems Synthetic Biology: System Models, User-Oriented Specifications, and Applications

系统合成生物学:系统模型、面向用户的规范和应用程序

作者：Chih-Yuan Hsu；Bor-Sen Chen

出版：De Gruyter

索书号：Q81/C518A/2017/Y

ISBN: 978-1-53610-210-9

藏书地点：武大外教中心

在这本书中，合成基因电路是由非线性随机系统建模，考虑随机遗传变异和随机体内环境干扰。作者的设计目的是设计一个遗传电路，以达到预期的行为或产品，以容忍内在的随机波动和环境干扰的宿主细胞。在本书中，作者首先根据各自的监管优势构建了几个组件库。然后，基于一个随机系统模型，他们设计生物过滤器，生物晶体管生物传感器，遗传分析电路，以及一个遗传发射机和接收机，通过选择适当的启动子-RBS组件从其相应的库，以满足规定的设计(面向用户)规范，通过提出的图书馆为基础的研究方法。这些合成基因电路也实现了实际的实验，以确定其设计性能在这本书。基于所提出的综合设计方法，可以一次性实现这些设计指标，节省了传统方法的大量试验时间。因此，本书所提出的系统设计方法在未来更复杂的系统合成生物学基因电路设计中有许多潜在的应用。

合成生物学这一新兴领域结合了分子生物学、工程学、数学和物理学等各个学科的知识来设计和实现新的细胞行为。合成生物学的目标是提高我们对自然现象的定量认识，同时培养一门工程学科，以可预测和可靠的方式获得新的复杂的细胞行为。《系统和合成生物学》是一种新的生物医学期刊，发表关于系统和合成生物学各方面的原始论文和文章。除了传统的功能，本书还提供了补充材料的在线访问:三维图形、序列数据和校准、动画和短视频。《系统与合成生物学》杂志发表的研究论文要么将这一领域作为工程学科推进，要么利用合成生物学提高我们对现有现象的科学知识。

合成生物学是一门将系统生物学的概念，应用于遗传电路设计的新型工程学科。合成生物学家利用数学模型来描述生化反应系统，然后提供基因工程技术，在活细胞中实现设计的生物基因电路，具有各种应用所需的功能。考虑到可获得性和易于操作，利用微生物如大肠杆菌(e.c oli)或酿酒酵母(S. cerevisiae)作为一个新的技术平台来解决几个重要的合成生物学问题是很有吸引力的。例如，生物燃料生产是作为替代能源来替代燃料来源的关键问题，抗生素治疗是有效解决医疗问题的另一个重要策略。在未来，建立在微生物内部的生物工厂有望在我们的生活中有很多应用。在过去的十年里，一些研究表明生物基因电路可以被设计成大肠杆菌中的抑制器、开关、生物传感器和细菌过滤器。

抑制因子能引起蛋白质浓度的稳定振荡。拨动开关可以用作生物开关或微生物的记忆装置。生物传感器和细菌过滤器可以检测特定分子信号的浓度。上述生物电路可以以较低的成本和较低的复杂性达到预期的效果，但可能不考虑进一步利用的功能可扩展性。近年来,一些合成生物学家开始使用生物组分(比如推动者,核糖体结合位点，压制性基因和报告基因组装小生物模块使用不同的简单的逻辑运算,即,没有门,门,或门和或非门,类似于数字集成电路逻辑电路设计。此外，这些生物逻辑门的功能网络可以作为一个模块重新使用，以构建更复杂的计算功能，如生物学与非门、异或门、多路复用器和半加法器。此外，还可以设计和实现更复杂的生物合成电路集成，如细菌带通滤波器和遗传晶体管。

当合成系统变得越来越复杂时，处理这种复杂性的新设计策略对下一代生物合成电路的设计和实现至关重要。新的计算和系统技术是快速和可靠地设计复杂生物系统的必要手段，就像目前电子电路系统的超大规模集成(VLSI)设计方法一样(Endy 2005)。利用抽象层次和模块化的工程原理，可以构建下一代高阶基因网络和计算基因电路。出于这个原因,合成生物学的研究人员开始构建生物组件库。后的活动在图书馆不同的启动子组件已正确量化和重新定义的荧光流式细胞分析仪测量,研究人员使用一种新的图书馆的搜索方法通过遗传算法(GA)或其他编程有效地选择最合适的生物组件从相应的库来实现最优参考轨迹跟踪。

在第二章中，基于良好特征的启动子-RBS库和级联基因电路拓扑结构，引入了具有理想I/O滤波响应的鲁棒生物滤波器设计。在合成生物学领域，生物滤波器作为传感器的强大探测器或传感器，感知不同的分子信号，只有当输入分子信号的浓度高于或低于规定的阈值时，才产生特定的输出响应。本章将鲁棒生物过滤器的系统设计过程分为三个步骤:(i)列出了几个具有良好特征的生物过滤器促进者-RBS库，如第二章所示。(ii)将合成生物滤池拓扑分解为三个级联基因调控模块。基于所提出的系统方法，通过在第二章中相应库中搜索最合适的启动器-RBS组件集来设计一个鲁棒生物过滤器，以实现指定的IO过滤器响应合成基因晶体管对于基因电路中的信号放大和开关是至关重要的。

第三章介绍了一种适合实际应用的稳健遗传晶体管的系统设计方法——启动子-RBS库，利用启动子-RBS组件的动力学强度，构建了三种用于系统遗传电路设计的启动子-RBS库。根据遗传晶体管的动态模型，开发了一种基于遗传算法的搜索算法，以搜索一组启动子-RBS组分和足够浓度的诱导剂，以实现遗传晶体管规定的I/0特性。通过体内实验设计，我们也证明了所提出的设计方法对遗传晶体管的适用性。在第四章中，设计了一个基于量子点的放大器来辅助金属离子的检测。提出了一个模型来计算报告蛋白的浓度从启动子RBS组分的选择。针对期望的检测响应，我们提出了一种基于遗传算法的组件选择方法。实验结果表明，所选元件能够产生预期的检测响应，而基于OSos的放大器使离子检测更加灵敏。在第五章中，提出了一种用于金属离子生物传感器设计规范的多目标(MO) H2/Hoo性能准则实现期望输入/输出(1/O)响应的H2最优匹配，同时E O最优滤波内在参数波动和外部蜂窝噪声。根据这两种设计规范，通过求解一组线性矩阵管理系统下的多目标问题，进而分析设计出具有最优IO响应匹配和最优噪声滤波能力的金属离子生物传感器。

在第六章，目的是通过控制一个裂解基因来控制细胞密度。组成性启动子-RBS区作为第一成分，用于控制某一基因的转录/翻译。该基因的表达产物(其活性)可以通过外部诱导剂来控制。这些诱导剂的浓度取决于种群密度。系统中的第二个成分是裂解基因的启动子-RBS区域，该区域被具有组成启动子-RBS区域的基因表达产物激活或抑制。为了便于设计，在稳态模型中，用启动子-RBS组分与诱导剂浓度之间的关系来描述所构建的遗传裂解电路的裂解能力。根据用户的规格,选择适当的启动子-RBS组分，结合可行的诱导物浓度范围，可以构建遗传裂解回路。通常，当组件库变大时，需要很长的计算时间。因此，提出了一种遗传算法(GA)搜索方法，以节省评估和选择促进者-RBS成分的时间。在第七章中，我们将使用合成生物学的方法来操纵细菌的运动性，以寻找特定浓度的分子。通过群体感应系统改变CheY浓度来调节翻滚频率，从而改变漂移速度。研究表明，如使用琼脂平板和微流体系统所示，一个人可以有不同的漂移速度，这可以进一步与AHL的浓度相关。通过试验确定了不同制动部件对制动效果的影响，并建立了数学模型。基于该数学模型可以从库中选择合适的制动元件，有效地开发遗传电路。这种遗传电路可以用来实现细菌的必要行为改变。

在第八章，构建了一个启动子-RBS文库。用数学模型来得到一套构成启动子-RBS组件库，包含两个启动子-psbAl和J23101，六个RBS区域即RBS1和B0031、B0032和B0034。通过确定由各自的启动子-RBS单元驱动的eYFF荧光强度，可以估计各种启动子-RBS组分的运动强度。为测试其启动子RBS元件库，设计了pcc7942中控制细胞数量的合成基因电路。基因电路设计包含菌视紫质基因作为ligh驱动的质子泵，ictB基因控制细胞密度。这两个基因是由两套不同的启动子-RBS单元控制的，这两套启动子是根据数学模型选择的。将硅中获得的值与实验数据进行比较，观察到ar实验误差仅在1.7% - 3%之间。第九章探讨了复杂微生物生态系统行为的工程问题。增加了在各种应用中实现多细胞微生物网络的兴趣，但预测和控制这些网络的行为仍然存在重大的挑战。针对这一问题，本章建立了一个两物种微生物生态系统规划的数学模型和优化方案。该模型结合了生物和外部噪声。生物系统由两种细胞组成，它们通过扩散信号进行通信。这些信号调节抗生素抗性基因的产生，当环境中存在抗生素时，就产生了一种互惠互利的相互作用。为了证明该系统调节突发行为的能力，该模型调整了环境中的抗生素浓度和两种信号合成酶的RBS区域。利用遗传算法对这三个参数进行调整，以满足设计标准，即指定的两种单元类型的稳态比率。

作者介绍：

在2014年，作者发表了近300篇关于控制信号的论文。在2015年徐慈源博士在清华大学获得博士学位。在这本书中，合成基因电路是用非线性建模的随机系统要考虑随机的遗传变异和随机的体内环境的干扰。作者的设计目的是设计一个遗传电路来实现一个期望的行为产品能承受固有的随机波动和环境宿主细胞内的干扰。在这本书中，作者首先构建几个启动RBS组件库根据他们的法规的优势。然后，根据随机系统模型，他们有设计生物flters，生物晶体管生物传感器，基因裂解电路，并通过选择合适的遗传发射机和接收机启动程序-RBS组件从其相应的库中满足指定的设计(面向用户)指定通过提出了基于库的研究方法。这些合成基因通过实验验证了电路设计的可行性在这本书中的表现。根据预定的综合设计方法:一次性实现这些设计规范，节约成本用传统方法可能要花很多时间。因此,定意这本书中的设计方法有很多基本原理适用于比较复杂的基因电路设计系统的合成未来的生物学。

Index

前言

第一章 介绍

第二章 基于启动子-RBS文库的I/O过滤响应的系统生物过滤器设计

第三章 稳健遗传晶体管的系统设计方法

第四章 一种用于大肠杆菌中金属离子检测的生物传感器的系统设计

第五章 金属离子生物传感器的系统设计:一种多目标优化方法

第六章 利用遗传裂解电路系统地控制大肠杆菌细胞的数量

第七章 利用系统的合成生物学设计方法，设计细菌寻找特定浓度的分子

第八章 蓝藻聚球菌PCC 7942启动子-RBS文库的构建及其在系统合成电路设计中的应用，以符合面向用户的规范

第九章 一个由小分子调控器通过细胞-细胞通信控制的群体感应共生生态系统的健壮设计

第十章 多细胞分子通信系统的系统设计，具有所需的检测能力、转导能力和系统灵敏度指数