Genetik Devre Tasarımı: SonrakiGeneration Biokimyasal Üretim için Blueprint

Son on yılda, sentetik biyoloji, tahmin edilebilir hassaslarla ilgili gerçek bir üretim disiplinine dair kanıt-konse deneylerinin ötesine geçti.Bu dönüşüm kalbinde [Dönetici devre tasarımı) - sıtma ilaçlarının organik yakıtlara nasıl yapıldığının değiştirilmesi, araştırmacıların ortaya çıkardığı genetik mekanizmaların ortaya çıkmasını, genetik üretim yollarının yeniden tanımlanmasını ve gerçekleştirilmesini sağlamak.

Genetik Devreler Nedir?

Genetik devreler DNA dizilerinin koleksiyonlarıdır - özellikle de teşvikler, kodlama bölgeleri, ribozom siteleri ve terimleyiciler - birlikte, bir mühendis mantık sistemi gibi davranır. Sadece elektronik devreler transistasyonlar gerçekleştirmek için transistimaller ve teller kullanır.

Basit bir örnek, “on-off” bir geçiştir: normalde yeniden ele alınan bir teşvik, bir uyarı molekülü ekleyerek, hedef proteinin ifadesine yol açan bir nüks devreleri içerir:0) Olumlu ve negatif geri bildirimler[Dönemli[Dönemli[Dönemli)[sağlıklı bir düzenleme katmanları ve bu tasarımların sofistik bir mikrobiyo hostun belirli bir biyokimyasal üretebileceğini doğrudan belirler.

Drive Devre Davranışı

Her genetik devre bir avuç standart parçaya dayanıyor. Bu bileşenleri anlamak, devre tasarımının üretim yollarını nasıl etkilediği konusunda önemlidir:

  • [FONT:0)Promoters ve Ribosome Binding Siteleri (RBS):[Dönetici: 1) Uygulamacının gücü, RNA polimerazın transkriptasyonu nasıl başlatdığını belirler; RBS güç çeviriyi yönetir.Bu elementleri kullanarak enzim seviyelerini bir yol kenarında ayarlamanın en basit yoludur.
  • [FONT:0)Repressors ve Activators: TetR, LacI veya AraC gibi düzenleyici proteinler küçük molekülleri (inducers) ve ya blok veya transkriptiyonlar ile ilgili olarak, mühendisler ve OR, NOT ve NOR mantık kapıları oluşturur.
  • [FONT:0]Transcriptional Terminators: Proper end, alt uç genlere okumayı önler ve bir diğerinden devre modülleri oluşturmak için kritiktir.
  • [FONT=0)Degradasyon Etiketler:[Döneticiler: [Döneticiler: 0 3) Proteinlere veya mRNAlara yapılan kısa dizileri kontrol edebilir, yol ortalarına dinamik kontrol sağlar ve toksik yapılamayı engelleyebilir.
  • [FONT:0)Signal-Responsive Sensörler: Mühendisli sensörler pH, oksijen, ışık veya spesifik metabolitleri tespit eder ve bu bilgiyi bir gen ekspresyon çıkışına dönüştürür, yol seviyesinde gerçek zamanlı geri bildirim sağlar.

Devre Tasarımı Nasıl Biyokimyasal Üretim Yolu Yolları

Devre tasarımı ve biyokimyasal üretim arasındaki bağlantı doğrudan: Bir yoldaki her enzim transkript veya çeviri kontrolü altında ve bu kontrol genetik bir devrenin ne zaman ve her enzimin ne kadarını dikkatlice orkestraya sokuyorsa, mühendisler statik, fikre karşı zor veya imkansız olan sonuçları elde edebilir.

Dinamik Düzenlemeler aracılığıyla Enerjiyi Teşvik Etmek

Genetik devrelerin en güçlü kullanımlarından biri, geç bir enzimin konsantrasyonunu ve buna göre ayarlanması anlamına gelir.Örneğin, birçok doğal yolda, flux sınırlı, çünkü erken bir enzim aşırı ifade ederse toksik bir orta üretir veya geç bir enzim çok yavaştır. Bir geri bildirim devresi aşırı akış ve daha sonra tekrarlama seviyesini önlemek için kendi sentezünü hissedebilir.

Atıkları ve ürünleri azaltın

Unwanted side reaksiyonları, istenen bir ürünün varlığına karşı büyük bir verim kaynağıdır. Genetik devreler bol olduğunda, ürün yetersiz olduğunda, devreler rekabetçi rotalar) talep eder. Tipik bir tasarım, istenen bir ürün varlığına karşı hassastır, ürün bol miktarda bir şekilde kapatılabilir.

Zaman Zaman Üzerinde Üretim Stability Over Time

Endüstriyel biyoişlemler genellikle günler veya haftalar boyunca çalışır.O zaman, hücreler bir anahtar düzenleyicinin sürekli içsel bir konsantrasyonunu koruyan, örneğin zzoptik değişiklikler ve çevresel koşullar dalgalanmaya karşı çıkabilir. Genetik devreler, istenen bir sensörden ayrılmayı engelleyen bir “kill switch” oluşturabilir.

Üretimde Kullanılan Klasik Devre Topolojileri

Çeşitli kanonik devre tasarımları özellikle biyokimyasal üretimde yararlı olmuştur. Her topoloji eşsiz bir kontrol yeteneği sağlar:

Toggle Switch

Başlangıçta, Gardner, Cantor ve Collins tarafından 2000 yılında geliştirildi, toggle geçişi iki baskılı teşvikden oluşuyor (toplayıcı bir baskı döngüsünde ayarlanan bir işlem) ve “projeksiyon” bir durumda (bir yerde kaynaklar bir bileşik haline geliyor).Bu, büyüme-prodüksiyon ticaretinde sıklıkla bir hücreyi uzaklaştırmak için bir hücreyi kapatıyor.

Oscillator (Repressilator)

Osilatörler periyodik gen ekspresi kalıpları oluşturmak için ünlü olsalar da, aynı zamanda üretimde bir yer var. toksik bir ortanın pulsatile serbest bırakılması yaratarak, bir osilatör ortayı hala yüksek genel florayı kullanırken yardımcı olabilir. Örneğin, kemoterapi öncülüğü üreterek, bir repressilatör bir cytokrom P450 enziminin zamanlamayı kontrol edebilir.

Band-Pass Filtreleri

Bir grup geçiş devresi sadece bir giriş yoğunlaşması belirli bir pencere içinde olduğunda ifade eder.Bu özellikle orta bir konsantrasyonun dar bir aralıkta tutulması gerektiği üretim yolları için değerlidir. orta düzeyde çok yüksek giderse, devre düşüklüğün ifadesini azaltırsa, ifade artışı.

Gerçek Dünya Devre-Driven Production Örnekleri

Artemisinic Acid (Malaria Drug Precursor)

Mühendisli mayın asit üretimi, ilk blokta sentetik biyolojinin başarılarından biriydi. Başlangıçta karmaşık sentetik devrelere güvenilmedi, daha sonra iyileştirmeler kullanıldı:0))) Düşük bir enzimi artırmak ve pahalı beslenme rejimleri aracılığıyla flux'ı azaltmak için gerekli olan bir devre.

Biyo yakıtlar: Ethanol ve Advanced Butanol

Biyotanol için, etanol üreten enzimlerin ifade edilmesi oldukça iyi çalışır, ancak gelişmiş biyoyakıtlar gibi temel bir engeldir. Araştırmacılar, aksi takdirde yarıda ölür ve aynı zamanda hücreyi aşırı yüklemeden kaçınmak için üretim yolundaki enzimleri teşvik eder.

Özel Kimyasallar: Naringenin ve Resveratrol

Bitki polifenolleri, naringenin ve resveratrolün fındık değeri olduğu gibi bitki polifenolleri, ürün yoğunlaşması düşük olduğunda, mikropiyaller tarafından üç kat daha yüksek oranda kullanılabilir:0)

Context'ın meydan okumaları,

Dikkat çekici ilerlemeye rağmen, genetik devre tasarımı hala akran transkript faktörlerinde farklar nedeniyle engellenebilir, RNA polimeraz kullanılabilirliği veya metabolik yükte kullanılan parçalar gerçekten modüler değildir - komşu DNA dizilerine bağlı olarak değişebilir ve küçük bağlayıcı siteler birbirine yakın farklı bir başlangıç noktası farklı bir şekilde hareket eder.

Bunu ele almak için, alan geliştirilmiştir.AR KAYNAK:0) Standartlaştırılmış parçalar kütüphaneler[Döneticiler[Döneticiler) (örneğin, Anderson, koleksiyon, iGEM Kayıt) ve hesaplama araçları, temel davranışı tahmin eden otomatik olarak, mutlak tahmin edilebilirlik elif kalır. Sonuç olarak, en başarılı üretim devreleri hala kapsamlı bir şekilde yapılır: → test → yeniden tasarlanır.

Tasarım ve inşa etmek için araçlar Genetik Devreler

Yazılım Aids ve Modeling

Çeşitli bilgisayar destekli tasarım (CAD) araçları özellikle genetik devreler için yaratıldı.ETHFLT:0)Cell Tasarımcısı),GenoCAD) ve ESDÜSÜSÜSÜSÜye Olmayanlar Arası Biyoloji Açık Dil))[DÜye Olmayanlar Standart parçalardan elde etmek ve sıradan diferansiyel denklemleri kullanarak davranışlarını simüle etmek için büyük veri kümeslerinde eğitim gören makine öğrenme modelleri.

DNA Assembly Yöntemleri

Bir devre silico'da tasarlandığında, tek bir reaksiyonda birden fazla DNA parçasının kıvrımını sağlar. daha büyük, çok sorumlu devreler için, 0:4.En az homolog rekombinasyon) veya Gibson montajı))[FLT 7) birçok gün boyunca, çok sayıda genetik sentezleme maliyetinin düşük olması anlamına gelir.

Future: Smarter ve Daha Güvenilir Devreler

Orthogonal Expression Systems

Bir umut verici avenue, ev sahibi yerli makinelerle etkileşime giremeyen (örneğin,) ve “Düzücük olmayan bir sistemle ifade edilen ve devre dışı RNA polimerazları ) veya Orthogonal ribosomes, T7 RNA polimeraz) ile etkileşime girebilen, “doğal” kosif olmayan bir üretim sistemi üzerine kurulup, aminoongonal olmayan bir üretim sistemi üzerine baskıdan kaçınabilir.

CRISPRBased Devreler

CRISPR müdahalesi (CRISPRi) ve CRISPR aktivasyon (CRISPRa) genetik devreler oluşturmak için güçlü araçlar haline geldi.Bir dCas9 proteini, herhangi bir teşvik edici RNA tarafından kontrol edilebilir - özel baskılayıcı proteinler için gerekli değildir. CRISPR tabanlı devreler kolayca yeniden programlanabilir ve birçok genleri bir kez kontrol etmek için birden fazla yollayabilirler.

Hızlı Prototipleme için Hücresiz Sistemler

Tüm biyokimyasal üretim canlı hücrelerine ihtiyaç duymaz.Ücretsiz ifade sistemleri ) (örneğin, TX-TL ekstraları) genetik devrelerin hücre büyümesi, mutasyon ve toksisite komplikasyonları olmadan test edilmesine izin verir. Bu sistemler, üretim yollarını ve yaşam ev sahibine transfer etmeden önce daha fazla üretim yolu ve optimize eder.

Makine Öğrenme ve Otomasyon ile entegrasyon

Otomatik sualtı akışları tarafından üretilen verilerin hacmi son derece yüksektir. Makine öğrenme algoritmaları şimdi devre tasarımları önerebilir, optimal girişimler öngörür konsantrasyonları tahmin edebilir ve hatta henüz test edilmemiş olan birkaç yeni teşvik kombinasyonlarını bile önerebilir. Bulutla bağlantılı robotik hedef için bir araya geldiğinde (örneğin, Mühendislik Biyolojisi Araştırma Konsülleri) konseptini öngörür, tasarım geliştirme geliştirme süreci, hafta başına yüzlerce yeni teşvik edebilir.

Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç

Genetik devre tasarımı, sentetik biyolojinin bir merakından, biyokimyasal üretim yollarını optimize etmek için pratik bir araç haline geldi. enzim seviyelerinin dinamik kontrolünü sağlayarak, ürün baskısını ve yüksek uzun vadeli istikrarın, iyi tasarlanmış devrelerin maliyeti ve atıkların azaltılması sırasında iki veya üç veri elde edebilir.Üretim, standart parçalarda, hesaplama modelleme veya genetik devre tasarımın ilkeleri artık engelleyicidir.

[FONT:0)Doğa okuması: Mükemmel bir astar için sentetik biyoloji araçları, bkz.D:0) BioBricks Vakfı) Normal güncellemeler sağlar.[Dönemli kaynaklarda 3 )SBOL Standart[Dönetici: 4 )