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基本信息
- 項目名稱：
- 基因編譯器
- 小類：
- 生命科學(xué)
- 大類：
- 科技發(fā)明制作B類
- 簡介：
- 基因編譯器是新一代的序列優(yōu)化軟件，提供4種密碼子優(yōu)化算法及定量模擬翻譯過程，評估優(yōu)化效果模塊，可以滿足研究者及生物網(wǎng)絡(luò)建模的多種需求，創(chuàng)新性強(qiáng)，應(yīng)用廣，前景好。
- 詳細(xì)介紹：
- 基因編譯器是一個新的密碼子優(yōu)化開源軟件，通過四個基于不同算法的密碼子轉(zhuǎn)換模塊（同義替換、快鏈、慢鏈、匹配），該軟件可以滿足多種科研需求。除了多種優(yōu)化選項，基因編譯器的最大亮點在于其第五模塊“計算RiPS”。該模塊基于經(jīng)典的TASEP數(shù)學(xué)模型，用于計算所有輸入和輸出序列的翻譯速率，最終以RiPS（核糖體/秒）為單位輸出，由此可以量化每條序列的翻譯情況，有助于評估優(yōu)化效果和設(shè)計基因通路?；蚓幾g器軟件、使用手冊和源代碼可以在以下網(wǎng)址免費獲得：
作品圖片
作品專業(yè)信息
設(shè)計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 隨著基因工程和生物技術(shù)的發(fā)展，目前有越來越多的生物研究和工程需要表達(dá)外源蛋白，而當(dāng)外源蛋白基因和宿主的密碼子偏好性差異較大時，外源蛋白的表達(dá)會很不理想，甚至完全失敗。為了解決這個問題以及更好地輔助實驗，我們根據(jù)各物種的密碼子偏好性數(shù)據(jù)庫開發(fā)了新一代的序列優(yōu)化軟件——基因編譯器。 我們首先根據(jù)學(xué)術(shù)界的2種主流序列優(yōu)化思路開發(fā)了2種序列優(yōu)化算法（快鏈和匹配）。而我們和許多研究者交流后發(fā)現(xiàn)了對非翻譯速率最大化改寫算法的需求，因此又相應(yīng)開發(fā)了序列改寫算法（同義替換和慢鏈）以滿足不同研究人群的需要。“同義替換”算法實現(xiàn)了外源蛋白在變換宿主后翻譯速率影響最小化，而“慢鏈”是與優(yōu)化算法“快鏈”相反的算法，目標(biāo)將翻譯速率最小化，可以保證蛋白在翻譯過程中的正確折疊和修飾。 同時為了實現(xiàn)對蛋白翻譯速率的定量預(yù)測和根據(jù)目標(biāo)翻譯速率改寫序列，我們建立了定量預(yù)測蛋白翻譯速率的數(shù)學(xué)模型，通過蒙特卡洛模擬得到其數(shù)值解，并將該模型整合在軟件中，使基因編譯器具有計算任何編碼序列在任何物種中翻譯速率的能力。 由此，本軟件不僅可以提供序列優(yōu)化改寫功能，還能預(yù)測各序列的翻譯速率，這為搭建預(yù)測性更強(qiáng)，更穩(wěn)定的生物系統(tǒng)打下了良好基礎(chǔ)。 此外，為了使我們的模型結(jié)果和軟件優(yōu)化算法更可靠，我們還進(jìn)行了生物學(xué)實驗來修正翻譯速率預(yù)測模型，并驗證我們的優(yōu)化效果。
科學(xué)性、先進(jìn)性
- 基因編譯器是新一代的序列優(yōu)化軟件，與現(xiàn)有優(yōu)化軟件相比有較大突破： （1）目前的序列優(yōu)化軟件往往只提供一種單一的算法1，2，而學(xué)術(shù)界在最優(yōu)算法方面存在爭議3，4。本軟件在優(yōu)化翻譯速率方面同時提供了兩種算法（快鏈和比例匹配），代表了兩個主流的優(yōu)化算法，可以為研究者提供更多的優(yōu)化選擇。 （2）目前的序列優(yōu)化軟件都是以翻譯速率最大化為目標(biāo)的1，2，5。而本軟件除傳統(tǒng)的優(yōu)化翻譯速率外還提供了另外2個非翻譯速率最大化的序列改寫算法（同義替換和慢鏈），這是非常有獨創(chuàng)性的，并為研究者提供了更多序列改方法。 （3）雖然已經(jīng)有許多蛋白翻譯速率的預(yù)測模型6，7，但本軟件是目前第一個提供翻譯速率預(yù)測功能的軟件。其他序列優(yōu)化軟件都只是簡單地改寫出序列，卻并沒有對優(yōu)化的新序列進(jìn)行定量分析。本軟件不僅完成了優(yōu)化序列功能，還能定量預(yù)測出各編碼序列的翻譯速率，為設(shè)計和模擬大規(guī)模的生物系統(tǒng)提供了可能。這對于推進(jìn)生物的工程化和定量化都有里程碑意義。
獲獎情況及鑒定結(jié)果
- 無
作品所處階段
- 研發(fā)階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 無
作品可展示的形式
- 現(xiàn)場演示；下載使用；視頻錄像
使用說明,技術(shù)特點和優(yōu)勢,適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測
- 基因編譯器的實際應(yīng)用價值高，且現(xiàn)實意義重大。首先，鑒于大多數(shù)基因工程及生物實驗研究都會涉及外源蛋白的表達(dá)，本軟件受眾范圍很廣，可以輔助各種涉及外源蛋白表達(dá)的實驗項目或工程。本軟件的序列優(yōu)化功能不僅可以使實驗更加順利高效，還同時具有較大的市場效應(yīng)。通過優(yōu)化外源蛋白的表達(dá)，軟件將有助于生物發(fā)酵工程中目標(biāo)蛋白產(chǎn)量的提升，由此產(chǎn)生較大的經(jīng)濟(jì)效益和社會價值。而軟件的翻譯速率定量預(yù)測模型以及輔助的生物學(xué)實驗在一些新興學(xué)科和領(lǐng)域（如合成生物學(xué)，系統(tǒng)生物學(xué)等）的發(fā)展上都有較大意義。其翻譯速率定量化模型不僅推動了生物元件的標(biāo)準(zhǔn)化和特征化，使得生物技術(shù)和過程更加工程化，同時還為基因網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建和系統(tǒng)預(yù)測提供了必要支撐。本軟件使得改寫基因序列和控制翻譯速率成為了可能，同時也進(jìn)一步揭示了蛋白翻譯過程的原理和規(guī)律。 基因編譯器是一個免費且開源軟件，其使用說明請見附件中的用戶使用手冊。此外，本軟件界面清晰簡單，非常容易使用。不過為了更加方便用戶，我們還制作了軟件的教學(xué)視頻發(fā)布在各大視頻網(wǎng)站。
同類課題研究水平概述
- 生物密碼子偏好性研究水平： 不同物種具有不同的密碼子偏好性，學(xué)術(shù)界目前認(rèn)為這是一個進(jìn)化特征。而其具體形成的原因和機(jī)制以及密碼子偏好性的作用目前仍不明晰。不過已有許多實驗和發(fā)表的文獻(xiàn)證實密碼子偏好性對基因翻譯速率的影響，并認(rèn)為這是影響外源基因表達(dá)效率的一個重要因素。例如，在基因工程中，當(dāng)外源蛋白和宿主的密碼子偏好性差異較大時，基因表達(dá)很低或幾乎無法檢測到；然而通過突變等手段將該外源基因的密碼子偏好性改為與宿主相近時，表達(dá)的蛋白顯著提升。 隨著基因測序技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)已有專門的生物密碼子偏好性數(shù)據(jù)庫，包含上千種物種可供查詢。 基因序列編譯軟件研究水平： 隨著DNA合成技術(shù)的發(fā)展，已相繼出現(xiàn)了越來越多的基因序列編譯軟件，其中許多是建立在優(yōu)化序列密碼子偏好性上的。然而目前這些編譯軟件的缺陷在于功能單一（只有優(yōu)化功能），算法單一，且只在定性分析的水平。這從一定程度上無法滿足基因工程以及合成生物學(xué)對定量化生物系統(tǒng)的需求。
