Программные средства синтетической биологии для автоматизированного проектирования функциональных живых систем. Семинар по вопросам создания Лаборатории синтетической биологии Московского физико-технического института

1. Семинар по вопросам создания
Лаборатории синтетической биологии
Московского физико-технического института
ПРОГРАММНЫЕ СРЕДСТВА
СИНТЕТИЧЕСКОЙ БИОЛОГИИ
ДЛЯ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ
ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ЖИВЫХ СИСТЕМ
Алёхин Максим Дмитриевич
maksim.alekhin@gmail.com

2. Иерархические уровни абстракции
при проектировании биологических систем
Семинар по вопросам создания Лаборатории синтетической биологии в МФТИ, 2012

3. Классификация программных средств
синтетической биологии
• Интегрированные программные средства синтеза ДНК и РНК
• Системы автоматизированного проектирования
биологических систем
• Системы моделирования и оптимизации
регуляторных генетических цепочек
• Системы проектирования и оптимизации
структуры белковых макромолекул
• Системы управления потоками работ
в синтетической биологии
• Интегрированные системы управления лабораторными данными
Семинар по вопросам создания Лаборатории синтетической биологии в МФТИ, 2012

4. Интегрированные программные средства
синтеза ДНК и РНК элементов
Современное ПО поддерживает весь необходимый инструментарий
для обеспечения цикла проектирования синтетических ДНК и РНК
элементов, включая алгоритмы in silico клонирования, кодон
оптимизации, обратной трансляции и создания необходимых
праймеров. В основе эффективной работы таких систем лежит гибкий
пользовательский drag-and-drop интерфейс для перемещения
последовательностей нуклеотидов между функциональными
конструкциями и база данных со свойствами элементов. Результатом
работы является генерация списка необходимых олигонуклеотидов, и
протокол ассемблирования последовательностей при проведении ПЦР.
• 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)
Семинар по вопросам создания Лаборатории синтетической биологии в МФТИ, 2012

5. Системы автоматизированного
проектирования биологических систем
В основе САПР функциональных биологических систем лежит
использование кусочно-афинных функций и алгоритмов линейно
временной логики. Процесс проектирования функциональных
регуляторных генетических цепочек в этом случае осуществляется на
различных иерархических уровнях с использованием формальных
спецификаций и единого набор правил. В таких системах разработчику
доступна работа, как с элементами мощного графического
пользовательского интерфейса, так и непосредственно через
командную строку. Существует возможность добавлять собственные
программные модули и функции на C подобных языках
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/)
Семинар по вопросам создания Лаборатории синтетической биологии в МФТИ, 2012

6. Системы моделирования и оптимизации
регуляторных генетических цепочек
Аналогично задачам электротехники, при использовании концепции
САПР создание новых функциональных элементов осуществляется
путем соединения отдельных блоков в соответствии с передачей
управляющих сигналов. При этом на этапе моделирования и
оптимизации реализуются два подхода. При количественном подходе
используется математический аппарат дифференциальных уравнений.
Качественное описание системы осуществляется с помощью
последовательности логических операторов. Впоследствии
исполняемый код может быть экспортирован в программную среду,
поддерживающую универсальный SBML формат данных для
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/)
Семинар по вопросам создания Лаборатории синтетической биологии в МФТИ, 2012 6

7. Системы проектирования и оптимизации
структуры белковых макромолекул
Успех синтетической биологии во многом обусловлен прогрессом в
создании эффективных средств проектирования белковых
макромолекул. Используя специализированное программное
обеспечение, становится возможным создание экспериментальных
биологических образцов с валидированными свойствами,
заложенными на этапе моделирования физической структуры этих
функциональных систем с учетом механизмов молекулярной
динамики. Также в большинстве программных сред доступны
эвристические алгоритмы, использующие итеративные процедуры
подбора лучших аминокислот и их конформаций для оптимизации
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)
Семинар по вопросам создания Лаборатории синтетической биологии в МФТИ, 2012

8. Системы управления потоками работ
в синтетической биологии
Система управления потоками работ в области синтетической
биологии включают интегрированную среду разработки и систему
контроля версий. В такой программной среде доступны функции
редактирования нуклеотидных последовательностей регуляторных
генетических цепочек, составление протокола ПЦР, подбор
необходимых ферментов для получения белков, оптимизация выхода
конечного продукта. Внедрение такой информационной системы
позволяет объединить стандартизированные отчеты биологических
экспериментов со стеками исполняемых программ среды разработки
для синтеза опытных образцов функциональных биологических систем
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/)
Семинар по вопросам создания Лаборатории синтетической биологии в МФТИ, 2012

9. Интегрированные системы
управления лабораторными данными
Система управления лабораторными данными представляет собой
портируемый интернет реестр, дающий возможность специалистам в
области синтетической биологии эффективно создавать новые и
использовать уже существующие функциональные элементы в
универсальном формате BioBricks. Типовой сервер базы данных
загружается как виртуальная машина, координирующая работу
отдельной лаборатории или института. Интегрированная система
управления лабораторными данными способствует созданию среды для
совместной удаленной разработки новых функциональных
биологических систем и развитию инфраструктуры для дальнейшего
развития синтетической биологии.
• BioMortar (http://igem.uwaterloo.ca/BioMortar)
• BrickIt (http://sourceforge.net/apps/brickit/index.php)
Семинар по вопросам создания Лаборатории синтетической биологии в МФТИ, 2012

11. SynBio Tool Landscape
Computation/Simulation Tools
Tinkercell (UW)
Viz-a-Brick BioJADE (UCB)
(Davidson-Missouri Western)
BioMortar
(Waterloo) Gene Designer (DNA 2.0)
APE (Utah)
BioStudio
Parts Registry (MIT) GenoCAD (VTech) (Johns Hopkins)
Data Management Tools Design/Analysis Tools

12. Clotho Design Environment
Clotho Stats:
~130 Files,
Java 6,
Net Beans IDE

13. Flow 1: New Part Creation
Un-associated data (e.g. new idea)
Associated data (e.g. part of
Creation Path
family/collection)
Data Part View and Data Manipulation
Mapping
Source Manipulation and Design
Storage Path
Flow
Implementation
Clotho Parts Manager Clotho Sequence View
PoBoL Inspired Internal Data
MIT Registry of Standard
Structure
•Organized by “Collections”
Biological Parts
•Hierarchy Based
•BioBrick
•DNA •Sequence Manipulation
•Samples •Data Analysis
•ORF
•Feature/Enzyme Highlighting
•Translation, Reverse Comp.
•Part Export/Package
Relational Database (e.g. mySQL) Clotho Binding Manager

14. Flow 2: Composite Part
Clotho Parts Manager
Creation
Collection
Data Display
Mapping Part View
Source Plug-In
Specific Part
Part Composition
Manipulation Plug-In
Flow
Implementation
EcoRI BglII BamHI Xhol
Biobrick GAATTCatgAGATCT-Part-GGATCCatgCTCGAG
DNA Primer
Samples Design
Hierarchy Changes
Clotho Plug-In Framework

15. Flow 3: Physical Part
Assembly Flow
Clotho Parts Manager
Data
Collection of Part Algorithm
Mapping Theoretical
Source Parts Viewer(s) Environment
Flow
Implementation
Clotho Plate Manager
Clotho Algorithm Manager

16. Семинар по вопросам создания
Лаборатории синтетической биологии
Московского физико-технического института
ПРОГРАММНЫЕ СРЕДСТВА
СИНТЕТИЧЕСКОЙ БИОЛОГИИ
ДЛЯ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ
ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ЖИВЫХ СИСТЕМ
СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ!