Программные средства синтетической биологии для автоматизированного проектирования функциональных

Семинар по вопросам созданияСеминар по вопросам созданияЛаборатории синтетической биологииЛаборатории синтетической биологии

Московского физико-технического институтаМосковского физико-технического института

ПРОГРАММНЫЕ СРЕДСТВАПРОГРАММНЫЕ СРЕДСТВАСИНТЕТИЧЕСКОЙ БИОЛОГИИСИНТЕТИЧЕСКОЙ БИОЛОГИИ

ДЛЯ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯДЛЯ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ЖИВЫХ СИСТЕМФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ЖИВЫХ СИСТЕМ

Алёхин Максим ДмитриевичАлёхин Максим Дмитриевич[email protected]

Семинар по вопросам создания Лаборатории синтетической биологии в МФТИ, 2012

Иерархические уровни абстракцииИерархические уровни абстракциипри проектировании биологических системпри проектировании биологических систем


Классификация программных средствКлассификация программных средствсинтетической биологиисинтетической биологии

• Интегрированные программные средства синтеза ДНК и РНКИнтегрированные программные средства синтеза ДНК и РНК

• Системы автоматизированного проектированияСистемы автоматизированного проектированиябиологических систембиологических систем

• Системы моделирования и оптимизацииСистемы моделирования и оптимизациирегуляторных генетических цепочекрегуляторных генетических цепочек

• Системы проектирования и оптимизацииСистемы проектирования и оптимизацииструктуры белковых макромолекулструктуры белковых макромолекул

• Системы управления потоками работСистемы управления потоками работв синтетической биологиив синтетической биологии

• Интегрированные системы управления лабораторными даннымиИнтегрированные системы управления лабораторными данными


Интегрированные программные средства Интегрированные программные средства синтеза ДНК и РНК элементовсинтеза ДНК и РНК элементов

Современное Современное ПОПО поддерживает весь необходимый инструментарий поддерживает весь необходимый инструментарий для обеспечения цикла проектирования синтетических для обеспечения цикла проектирования синтетических ДНКДНК и и РНКРНКэлементов, включая алгоритмы элементов, включая алгоритмы in silico in silico клонирования, кодон клонирования, кодон оптимизации, обратной трансляции и создания необходимых оптимизации, обратной трансляции и создания необходимых праймеров. В основе эффективной работы таких систем лежит гибкий праймеров. В основе эффективной работы таких систем лежит гибкий пользовательский пользовательский drag-and-dropdrag-and-drop интерфейс для перемещения интерфейс для перемещения последовательностей нуклеотидов между функциональными последовательностей нуклеотидов между функциональными конструкциями и база данных со свойствами элементов. Результатом конструкциями и база данных со свойствами элементов. Результатом работы является генерация списка необходимых олигонуклеотидов, и работы является генерация списка необходимых олигонуклеотидов, и протокол ассемблирования последовательностей при проведении протокол ассемблирования последовательностей при проведении ПЦРПЦР..

• Gene Designer DNA 2.0 (https://www.dna20.com/tools/genedesigner.php)• GeneDesign (http://genedesign.thruhere.net/gd/)• mFold (http://mfold.rit.albany.edu/?q=mfold/download-mfold)• DINAMelt (http://mfold.rit.albany.edu/?q=DINAMelt/software)• Vienna RNA Package (http://rna.tbi.univie.ac.at/)• Zinc Finger Tools (http://www.scripps.edu/mb/zfdesignhome.php)

Системы автоматизированного Системы автоматизированного проектирования биологических системпроектирования биологических систем

В основе В основе САПРСАПР функциональных биологических систем лежит функциональных биологических систем лежит использование кусочно-афинных функций и алгоритмов линейно использование кусочно-афинных функций и алгоритмов линейно временной логики. Процесс проектирования функциональных временной логики. Процесс проектирования функциональных регуляторных генетических цепочек в этом случае осуществляется на регуляторных генетических цепочек в этом случае осуществляется на различных иерархических уровнях с использованием формальных различных иерархических уровнях с использованием формальных спецификаций и единого набор правил. В таких системах разработчику спецификаций и единого набор правил. В таких системах разработчику доступна работа, как с элементами мощного графического доступна работа, как с элементами мощного графического пользовательского интерфейса, так и непосредственно через пользовательского интерфейса, так и непосредственно через командную строку. Существует возможность добавлять собственные командную строку. Существует возможность добавлять собственные программные модули и функции на программные модули и функции на CC подобных языках подобных языках программирования.программирования.• Eugene (http://www.eugenecad.org/)• BioJade (http://web.mit.edu/jagoler/www/biojade/)• TinkerCell (http://www.tinkercell.com/Home)• GenoCAD (http://www.genocad.org/)• GEC (http://research.microsoft.com/en-us/projects/gec/)


6

Системы моделирования и оптимизацииСистемы моделирования и оптимизациирегуляторных генетических цепочекрегуляторных генетических цепочек

Аналогично задачам электротехники, при использовании концепции Аналогично задачам электротехники, при использовании концепции САПРСАПР создание новых функциональных элементов осуществляется создание новых функциональных элементов осуществляется путем соединения отдельных блоков в соответствии с передачей путем соединения отдельных блоков в соответствии с передачей управляющих сигналов. При этом на этапе моделирования и управляющих сигналов. При этом на этапе моделирования и оптимизации реализуются два подхода. При количественном подходе оптимизации реализуются два подхода. При количественном подходе используется математический аппарат дифференциальных уравнений. используется математический аппарат дифференциальных уравнений. Качественное описание системы осуществляется с помощью Качественное описание системы осуществляется с помощью последовательности логических операторов. Впоследствии последовательности логических операторов. Впоследствии исполняемый код может быть экспортирован в программную среду, исполняемый код может быть экспортирован в программную среду, поддерживающую универсальный поддерживающую универсальный SBMLSBML формат данных для формат данных для дальнейших детерминистических и стохастических симуляций.дальнейших детерминистических и стохастических симуляций.

• ProMoT (http://www.mpi-magdeburg.mpg.de/projects/promot)• RoVerGeNe (http://iasi.bu.edu/~batt/rovergene/rovergene.htm)• GeNetDes (http://soft.synth-bio.org/genetdes.html)• Hy3S (http://hysss.sourceforge.net/index.shtml)• PCEnv (http://www.cellml.org/tools/opencell)• SimBio ToolBox (http://www.mathworks.com/products/simbiology/)


Системы проектирования и оптимизацииСистемы проектирования и оптимизацииструктуры белковых макромолекулструктуры белковых макромолекул

Успех синтетической биологии во многом обусловлен прогрессом в Успех синтетической биологии во многом обусловлен прогрессом в создании эффективных средств проектирования белковых создании эффективных средств проектирования белковых макромолекул. Используя специализированное программное макромолекул. Используя специализированное программное обеспечение, становится возможным создание экспериментальных обеспечение, становится возможным создание экспериментальных биологических образцов с валидированными свойствами, биологических образцов с валидированными свойствами, заложенными на этапе моделирования физической структуры этих заложенными на этапе моделирования физической структуры этих функциональных систем с учетом механизмов молекулярной функциональных систем с учетом механизмов молекулярной динамики. Также в большинстве программных сред доступны динамики. Также в большинстве программных сред доступны эвристические алгоритмы, использующие итеративные процедуры эвристические алгоритмы, использующие итеративные процедуры подбора лучших аминокислот и их конформаций для оптимизации подбора лучших аминокислот и их конформаций для оптимизации структуры белковых макромолекул.структуры белковых макромолекул.• RAPTOR (http://www.bioinformaticssolutions.com/raptor.php)• HHpred (http://toolkit.tuebingen.mpg.de/hhpred)• Rosetta (http://www.rosettacommons.org/)• Modeler (http://salilab.org/modeller/)• PFP (http://kiharalab.org/web/pfp.php)• AutoDock (http://autodock.scripps.edu/)• PROTDES (http://soft.synth-bio.org/protdes.html)


Системы управления потоками работСистемы управления потоками работв синтетической биологиив синтетической биологии

Система управления потоками работ в области синтетической Система управления потоками работ в области синтетической биологии включают интегрированную среду разработки и систему биологии включают интегрированную среду разработки и систему контроля версий. В такой программной среде доступны функции контроля версий. В такой программной среде доступны функции редактирования нуклеотидных последовательностей регуляторных редактирования нуклеотидных последовательностей регуляторных генетических цепочек, составление протокола ПЦР, подбор генетических цепочек, составление протокола ПЦР, подбор необходимых ферментов для получения белков, оптимизация выхода необходимых ферментов для получения белков, оптимизация выхода конечного продукта. Внедрение такой информационной системы конечного продукта. Внедрение такой информационной системы позволяет объединить стандартизированные отчеты биологических позволяет объединить стандартизированные отчеты биологических экспериментов со стеками исполняемых программ среды разработки экспериментов со стеками исполняемых программ среды разработки для синтеза опытных образцов функциональных биологических систем для синтеза опытных образцов функциональных биологических систем на платформе лабораторного робота-манипулятора. на платформе лабораторного робота-манипулятора.

• SynBioSS (http://synbioss.sourceforge.net/)• Clotho (http://www.clothocad.org/)• Biskit (http://biskit.pasteur.fr/)• BioStudio (http://search.cpan.org/BioGeneDesign/)


Интегрированные системыИнтегрированные системыуправления лабораторными даннымиуправления лабораторными данными

Система управления лабораторными данными представляет собой Система управления лабораторными данными представляет собой портируемый интернет реестр, дающий возможность специалистам в портируемый интернет реестр, дающий возможность специалистам в области синтетической биологии эффективно создавать новые и области синтетической биологии эффективно создавать новые и использовать уже существующие функциональные элементы в использовать уже существующие функциональные элементы в универсальном формате универсальном формате BioBrickBioBrickss. Типовой сервер базы данных . Типовой сервер базы данных загружается как виртуальная машина, координирующая работу загружается как виртуальная машина, координирующая работу отдельной лаборатории или института. Интегрированная система отдельной лаборатории или института. Интегрированная система управления лабораторными данными способствует созданию среды для управления лабораторными данными способствует созданию среды для совместной удаленной разработки новых функциональных совместной удаленной разработки новых функциональных биологических систем и развитию инфраструктуры для дальнейшего биологических систем и развитию инфраструктуры для дальнейшего развития синтетической биологии. развития синтетической биологии.

• BioMortar (http://igem.uwaterloo.ca/BioMortar)• BrickIt (http://sourceforge.net/apps/brickit/index.php)


SynBio Tool LandscapeComputation/Simulation Tools

Data Management Tools Design/Analysis Tools

Tinkercell (UW)

BioJADE (UCB)

APE (Utah)

Gene Designer (DNA 2.0)

GenoCAD (VTech)Parts Registry (MIT)

BioMortar (Waterloo)

BioStudio (Johns Hopkins)

Viz-a-Brick (Davidson-Missouri Western)

Clotho Design EnvironmentClotho Stats:~130 Files,Java 6, Net Beans IDE

Creation Path

Storage Path

Flow 1: New Part Creation

Data Source

Part View and Manipulation

Data Manipulation and Design

MIT Registry of Standard Biological Parts

Mapping

Un-associated data (e.g. new idea)

Relational Database (e.g. mySQL)

PoBoL Inspired Internal Data Structure

Clotho Binding Manager

Clotho Parts Manager Clotho Sequence View

•Organized by “Collections”•Hierarchy Based

•BioBrick•DNA•Samples

•Sequence Manipulation•Data Analysis

•ORF•Feature/Enzyme Highlighting•Translation, Reverse Comp.

•Part Export/Package

Associated data (e.g. part of family/collection)

Flow

Implementation

Flow 2: Composite Part Creation

Data Source

Mapping Part View

PartManipulation

DisplayPlug-In

CompositionPlug-In

Collection

Specific Part

Clotho Parts Manager

Flow

Implementation

Clotho Plug-In Framework

Biobrick

DNASamples

Hierarchy Changes

GAATTCatgAGATCT-Part-GGATCCatgCTCGAG

EcoRI BglII BamHI Xhol

PrimerDesign

Data Source

MappingCollection of Theoretical Parts

Part Viewer(s)

AlgorithmEnvironment

Clotho Parts Manager

Flow

Implementation

Clotho Plate Manager Clotho Algorithm Manager

Flow 3: Physical Part Assembly Flow

Семинар по вопросам созданияСеминар по вопросам созданияЛаборатории синтетической биологииЛаборатории синтетической биологии

Московского физико-технического институтаМосковского физико-технического института

ПРОГРАММНЫЕ СРЕДСТВАПРОГРАММНЫЕ СРЕДСТВАСИНТЕТИЧЕСКОЙ БИОЛОГИИСИНТЕТИЧЕСКОЙ БИОЛОГИИ

ДЛЯ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯДЛЯ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ЖИВЫХ СИСТЕМФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ЖИВЫХ СИСТЕМ

СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ!СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ!

Documents

Программные средства синтетической биологии для автоматизированного проектирования функциональных