北京理工大學(xué):在AI輔助生物傳感器改造領(lǐng)域取得重要進(jìn)展
近日,北京理工大學(xué)生命學(xué)院霍毅欣團(tuán)隊(duì)在1區(qū)TOP期刊《Journal of Advanced Research》發(fā)表題為“Design of strictly orthogonal biosensors for maximizing renewable biofuel overproduction”的研究文章。本研究通過開發(fā)一種基于機(jī)器學(xué)習(xí)的設(shè)計(jì)方法,解決了信號分子濫交和工業(yè)正交性之間的關(guān)系,以轉(zhuǎn)錄因子BmoR為例,利用該方法成功地縮小了BmoR的改造區(qū)域,極大地加快了獲得理想突變體的速度,為合成生物學(xué)和生物制造的高度特定工具的理性設(shè)計(jì)提供了一個(gè)新的范例。該工作以北京理工大學(xué)為第一通訊單位,2020級博士生毋彤為第一作者,陳振婭長聘副教授和霍毅欣教授為共同通訊作者。
目前,轉(zhuǎn)錄因子(Transcription factor, TF)工程依賴于隨機(jī)突變與高通量篩選相結(jié)合,而較大區(qū)域的突變會一定程度破壞轉(zhuǎn)錄因子的功能,同時(shí)一些非功能性的突變體的存在降低了有效突變體的篩選效率。將改造重心集中在控制信號分子正交性、靈敏度和檢測范圍的功能區(qū)域上,可以有效提高獲得理想突變體的速率。基于此,識別這些關(guān)鍵區(qū)域?qū)τ诟咝гO(shè)計(jì)高性能轉(zhuǎn)錄因子至關(guān)重要。人工智能推動了合成生物學(xué)和代謝工程的進(jìn)步,特別是機(jī)器學(xué)習(xí)在蛋白質(zhì)和酶工程中的應(yīng)用。將高通量篩選與機(jī)器學(xué)習(xí)相結(jié)合,可以加速評估大量突變體性能的速度,從而顯著減少實(shí)驗(yàn)的工作量和成本。基于此,本研究建立了基于機(jī)器學(xué)習(xí)的半理性設(shè)計(jì)策略,通過定位影響BmoR與信號分子結(jié)合的關(guān)鍵區(qū)域?qū)?/span>BmoR進(jìn)行半理性設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)BmoR對特定信號分子嚴(yán)格特異性響應(yīng)。
以BmoR為例,本研究開發(fā)了一種量化轉(zhuǎn)錄激活因子影響的方法,以此指導(dǎo)具有精確信號分子識別能力的突變體的設(shè)計(jì)。利用隨機(jī)森林算法建立機(jī)器學(xué)習(xí)輔助的半理性設(shè)計(jì)策略,通過搭建準(zhǔn)確度為88.5%的預(yù)測模型,精準(zhǔn)定位了三個(gè)顯著影響BmoR與信號分子特異性結(jié)合的關(guān)鍵區(qū)域,共計(jì)36個(gè)氨基酸殘基。
通過對這三個(gè)關(guān)鍵區(qū)域進(jìn)行半理性設(shè)計(jì),成功實(shí)現(xiàn)了BmoR對同分異構(gòu)體和結(jié)構(gòu)類似物的嚴(yán)格區(qū)分。本研究通過測定BmoR與信號分子間的親和力進(jìn)一步證明了BmoR突變體對正戊醇或異戊醇的嚴(yán)格特異性響應(yīng)。通過模擬分析BmoR突變前后六聚體結(jié)構(gòu)的變化揭示了影響BmoR識別信號分子的關(guān)鍵殘基。隨后,利用對異戊醇嚴(yán)格特異性響應(yīng)的生物傳感系統(tǒng),該工作成功篩選到一株異戊醇高產(chǎn)菌株,實(shí)現(xiàn)12.6 g/L異戊醇的生物合成,為迄今為止的最高產(chǎn)量。該方法將機(jī)器學(xué)習(xí)與分子模擬相結(jié)合,以優(yōu)化轉(zhuǎn)錄因子改造工程,展示了解決轉(zhuǎn)錄因子的信號分子濫交,并提高了生物傳感器的檢測精度。
此項(xiàng)工作得到國家自然科學(xué)基金委、河北省自然科學(xué)基金委和唐山市科技計(jì)劃項(xiàng)目的資助,以及北京理工大學(xué)生物與醫(yī)學(xué)工程公共實(shí)驗(yàn)中心的支持。
智能系統(tǒng)和傳感器協(xié)調(diào)合作的場景現(xiàn)在較為常見,液位傳感器可以和智能系統(tǒng)協(xié)調(diào)合作防止水箱干燒和溢出。錦鋒光電式液位傳感器LLM12DH05因其檢測精度高,無機(jī)械運(yùn)動結(jié)構(gòu),使用壽命長,可以在小家電中應(yīng)用,保障設(shè)備長時(shí)間正常工作。其還可以替代美國霍尼韋爾 LLE系列型號:LLE101000,LLE102000,LLE103000,LLE105000,LLE101101,LLE102101,LLE103101,LLE105101。
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