[發明專利]一種合成基因回路模型及構建方法

在審

• 申請號: 202011483822.1
• 申請日: 2020-12-16
• 公開（公告）號: CN112562782A
• 公開（公告）日: 2021-03-26
• 發明（設計）人: 傅雄飛;袁慧麗;白陽
• 申請（專利權）人: 中國科學院深圳先進技術研究院
• 主分類號: G16B5/00
• 分類號: G16B5/00;G16B20/00
• 代理公司: 深圳市科進知識產權代理事務所(普通合伙) 44316
• 代理人: 魏毅宏

本發明提供了一種合成基因回路模型的構建方法，包括建立基因回路干預資源分配的流量平衡分析方法并模擬細胞生長速率，結合細胞生長速率與基因回路動力學模型構建生長速率調控的基因回路模型并獲得基因回路的動力學行為結果；對基因回路的動力學行為進行定量實驗，獲得實驗結果，通過對比結果來修正模型。本發明以大腸桿菌為研究對象，基于大腸桿菌基因組代謝網絡模型，通過流量平衡分析和細菌生長定律相結合的方法對細胞生理狀態充分表征，模擬細胞的生長速率，并結合對典型基因回路進行標準化的定量實驗數據，構建依賴于細胞生長速率的基因回路動力學模型，精準預測細胞生長速率對合成基因回路功能的影響。

技術領域

本發明涉及合成基因回路模型構建領域，具體而言，涉及一種合成基因回路模型及構建方法。

背景技術

傳統基因回路設計是一個定制的、手動的和容易出錯的過程，通常存在試驗周期長、試錯成本大、很難擴大規模的問題。借助計算機輔助工具設計和模擬電路正在改變這種狀況。其中，比較有代表性的是2016年被開發的用于自動設計復雜基因回路的工具Cello。雖然該種方法能夠大幅提高對人工基因回路的設計效率，但是沒有考慮基因回路與細胞生理狀態相互作用的影響。

研究表明，底盤細胞的代謝特性、胞內資源分配和基因回路相互聯系、互相干涉。一方面，細胞內用于生命活動的資源(核糖體、氨基酸、能量等)有限，為了優化自身的生長，細胞需要根據生長環境平衡分配這些資源。而人工合成基因回路的引入則會打破這種平衡，對底盤細胞產生額外的負擔，造成細胞生長放緩。細胞蛋白質的資源重分配不僅會影響細胞代謝流的分布狀態，也會調控基因回路的預設功能。另一方面，合成基因回路的表達亦會改變所在代謝途徑代謝流的分布，最終導致整個網絡代謝流分布重排。簡而言之，基因回路與底盤細胞生理狀態間的干涉效應會影響包括基因回路在內的全局狀態以及基因回路性能預測的準確性。因此，對合成基因回路的設計和模擬需要精準考慮底盤細胞的生理狀態。

基于細胞必須平衡有限的蛋白質、核糖體和能量庫來實現不同的任務，有研究通過構建數學模型將基因的表達與細胞的生長速率結合起來，精準預測不同合成元件對宿主行為的影響。有團隊開發了一款整合模型框架，將合成基因回路的生化動力學過程與底盤細胞生理狀態模型結合起來，準確預測基因回路的行為，提高了合成回路設計的有效性。這些模型能夠全面捕獲整體的生理變化和參數以及外源基因回路對基因表達機制的影響，為理解基因回路如何與底盤細胞資源配置及生長聯系在一起提供了理論參考。然而，這些模型是通過簡單分析來源于不同體系、不同條件的實驗數據建立的，因此普遍存在可靠性不足，難以推廣應用的問題。另外，這些工作都停留在理論研究層面，缺乏直接系統性的定量實驗驗證。

發明內容

因此，本發明的目的是針對上述問題，提供一種結合細菌生理狀態的合成基因回路模型及構建方法、電子設備和存儲介質。

根據本公開的第一方面，提供了一種合成基因回路模型的構建方法，該方法包括：建立基因回路干預資源分配的流量平衡分析方法，并根據基因回路干預資源分配的流量平衡分析方法模擬細胞生長速率；將細胞生長速率代入基因回路動力學模型中，構建生長速率調控的基因回路模型，根據生長速率調控的基因回路模型模擬基因回路的動力學行為，獲得模擬結果；對基因回路的動力學行為進行定量實驗，獲得實驗結果，通過對比模擬結果和實驗結果來修正所述基因回路耦合模型。

在一些可能的實施方式中，基因回路干預資源分配的流量平衡分析方法被配置為以涉及所述合成基因回路的細胞蛋白質組數據為額外限制條件，結合細菌的基因組代謝網絡模型構建。

在一些可能的實施方式中，基因回路耦合模型以大腸桿菌為研究對象，基于大腸桿菌細胞的基因組代謝網絡模型構建。

在一些可能的實施方式中，合成基因回路的類型包括振蕩回路、撥動開關回路和邏輯門回路。

根據本公開的第二方面，提供了一種合成基因回路模型，其通過前述合成基因回路模型的構建方法構建得到。