一种合成基因回路模型及构建方法

技术领域

本发明涉及合成基因回路模型构建领域，具体而言，涉及一种合成基因回路模型及构建方法。

背景技术

传统基因回路设计是一个定制的、手动的和容易出错的过程，通常存在试验周期长、试错成本大、很难扩大规模的问题。借助计算机辅助工具设计和模拟电路正在改变这种状况。其中，比较有代表性的是2016年被开发的用于自动设计复杂基因回路的工具Cello。虽然该种方法能够大幅提高对人工基因回路的设计效率，但是没有考虑基因回路与细胞生理状态相互作用的影响。

研究表明，底盘细胞的代谢特性、胞内资源分配和基因回路相互联系、互相干涉。一方面，细胞内用于生命活动的资源(核糖体、氨基酸、能量等)有限，为了优化自身的生长，细胞需要根据生长环境平衡分配这些资源。而人工合成基因回路的引入则会打破这种平衡，对底盘细胞产生额外的负担，造成细胞生长放缓。细胞蛋白质的资源重分配不仅会影响细胞代谢流的分布状态，也会调控基因回路的预设功能。另一方面，合成基因回路的表达亦会改变所在代谢途径代谢流的分布，最终导致整个网络代谢流分布重排。简而言之，基因回路与底盘细胞生理状态间的干涉效应会影响包括基因回路在内的全局状态以及基因回路性能预测的准确性。因此，对合成基因回路的设计和模拟需要精准考虑底盘细胞的生理状态。

基于细胞必须平衡有限的蛋白质、核糖体和能量库来实现不同的任务，有研究通过构建数学模型将基因的表达与细胞的生长速率结合起来，精准预测不同合成元件对宿主行为的影响。有团队开发了一款整合模型框架，将合成基因回路的生化动力学过程与底盘细胞生理状态模型结合起来，准确预测基因回路的行为，提高了合成回路设计的有效性。这些模型能够全面捕获整体的生理变化和参数以及外源基因回路对基因表达机制的影响，为理解基因回路如何与底盘细胞资源配置及生长联系在一起提供了理论参考。然而，这些模型是通过简单分析来源于不同体系、不同条件的实验数据建立的，因此普遍存在可靠性不足，难以推广应用的问题。另外，这些工作都停留在理论研究层面，缺乏直接系统性的定量实验验证。

发明内容

因此，本发明的目的是针对上述问题，提供一种结合细菌生理状态的合成基因回路模型及构建方法、电子设备和存储介质。

根据本公开的第一方面，提供了一种合成基因回路模型的构建方法，该方法包括：建立基因回路干预资源分配的流量平衡分析方法，并根据基因回路干预资源分配的流量平衡分析方法模拟细胞生长速率；将细胞生长速率代入基因回路动力学模型中，构建生长速率调控的基因回路模型，根据生长速率调控的基因回路模型模拟基因回路的动力学行为，获得模拟结果；对基因回路的动力学行为进行定量实验，获得实验结果，通过对比模拟结果和实验结果来修正所述基因回路耦合模型。

在一些可能的实施方式中，基因回路干预资源分配的流量平衡分析方法被配置为以涉及所述合成基因回路的细胞蛋白质组数据为额外限制条件，结合细菌的基因组代谢网络模型构建。

在一些可能的实施方式中，基因回路耦合模型以大肠杆菌为研究对象，基于大肠杆菌细胞的基因组代谢网络模型构建。

在一些可能的实施方式中，合成基因回路的类型包括振荡回路、拨动开关回路和逻辑门回路。

根据本公开的第二方面，提供了一种合成基因回路模型，其通过前述合成基因回路模型的构建方法构建得到。

根据本公开的第三方面，提供了一种合成基因回路模型，其包含了底盘细胞的代谢特性及蛋白质组资源分配生理状态和外源基因回路的动力学行为。

根据本公开的第四方面，提供了一种电子设备，包括处理器，存储器及存储在存储器上并可在处理器上运行的程序或指令，该程序或指令被处理器执行时实现如前述合成基因回路模型的构建方法的步骤。

根据本公开的第五方面，提供了一种可读存储介质，可读存储介质上存储程序或指令，该程序或指令被处理器执行时实现如前述合成基因回路模型的构建方法的步骤。

本发明基于大肠杆菌基因组代谢网络模型，通过流量平衡分析和细菌生长定律相结合的方法对细胞生理状态充分表征，模拟细胞的生长速率，并结合对典型基因回路进行标准化的定量实验数据，构建依赖于细胞生长速率的基因回路动力学模型，精准预测细胞生长速率对合成基因回路功能的影响。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施方式的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1示出本公开的一个实施例的合成基因回路的构建流程；

图2示出本公开的一个实施例的模拟结果与现有技术以及实验结果的准确性比较结果。

具体实施方式

为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本公开提供了一种合成基因回路模型的构建方法，该方法包括：以涉及所述合成基因回路的细胞蛋白质组数据为基础，结合细菌的基因组代谢网络模型，建立基因回路干预资源分配的流量平衡分析方法(SC-CAFBA)，并根据基因回路干预资源分配的流量平衡分析方法模拟细胞生长速率；将细胞生长速率代入基因回路动力学模型中，构建生长速率调控的基因回路模型，根据生长速率调控的基因回路模型模拟基因回路的动力学行为，获得模拟结果；对基因回路的动力学行为进行定量实验，获得实验结果，通过对比模拟结果和实验结果来修正所述基因回路耦合模型。

外源合成基因回路的表达，因占用了胞内氨基酸，会改变底盘细胞的蛋白质分配，亦会重排整个代谢网络代谢流分布。我们借助代谢网络模型中基因和蛋白质之间的反应关联，将涉及基因回路的细胞蛋白质组数据做蛋白反应映射并依据细菌生长定律进行蛋白分区，并作为限制蛋白质分配的流量平衡分析方法的限制条件，建立基因回路干扰的资源分配流量平衡分析方法。将前述分析方法与代谢网络模型结合，模拟预测细胞的最优生长状态(即生长速率)。

将细胞基因组代谢网络模型和SC-CAFBA算法相结合求得的生长速率代入基因回路动力学模型，构建生长速率调控的基因回路耦合模型(λ-ODE)，并利用该模型预测不同细胞生长速率下基因回路的性能表现，获得模拟结果。然后，借助高通量生物平台调控细菌生长速率、荧光基因表达等参数进行标准化的定量测量，定量表征基因回路动力学行为获得实验结果。再对比模拟结果和实验结果修正模型。

在一些实施例中，基因组代谢网络模型被配置为基于大肠杆菌的基因组代谢网络模型。

在一些实施例中，选取具有代表性的振荡回路、拨动开关回路和逻辑门回路的合成基因回路类型为研究对象，建对应的基因回路动力学模型。

在一些实施例中，使用了一种合成基因回路模型，其通过前述合成基因回路模型的构建方法构建得到。

在一些实施例中，使用了一种电子设备，包括处理器，存储器及存储在存储器上并可在处理器上运行的程序或指令，该程序或指令被处理器执行时实现如前述合成基因回路模型的构建方法的步骤。

在一些实施例中，使用了一种可读存储介质，该可读存储介质上存储程序或指令，该程序或指令被处理器执行时实现如前述合成基因回路模型的构建方法的步骤。

实施例一：SC-CAFBA模拟过量表达外源非必需蛋白对细胞生长的影响。

实验结果如图2所示，其中，M1、M2、M3分别表示三种不同的培养基。大肠杆菌在这三种培养基下生长呈现三种不同的生长速率。实线表示采用该发明的模拟结果，虚线表示现有技术中已发表的模拟结果，圆圈表示已发表的实验数据结果。

本实施例通过与已发表的模拟结果、已发表的实验数据对比证明：利用本发明SC-CAFBA方法模拟预测了3种不同培养基下过量表达非必需蛋白ΦU对细胞生长速率的影响。本实施例模拟结果(实线)表明，随着ΦU增加细胞的生长速率逐渐降低。这与前人报道的实验数据(圆圈)相吻合，且较之前人已发表的模型也有改进，证明本实施例具有很好的预测能力，可用于不同生长速率下合成基因回路性能的分析。

尽管已经通过优选实施例进一步详细说明和描述了本发明，但是本发明不限于所公开的示例，并且本领域技术人员可以在不脱离本发明的范围的情况下从其中得出其他变型。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。