Combining mechanistic and machine learning models for predictive engineering and optimization of tryptophan metabolism

机器学习 计算机科学 代谢工程 人工智能 色氨酸代谢 合成生物学 系统生物学 蛋白质工程 计算生物学 色氨酸 生物 氨基酸 生物化学
作者
Jie Zhang,Søren D. Petersen,Tijana Radivojević,Andrés Ramirez,Andrés Pérez-Manríquez,Eduardo Abeliuk,Benjamín J. Sánchez,Zak Costello,Yu Chen,M.J. Fero,Héctor García Martín,Jens Nielsen,Jay D. Keasling,Michael K. Jensen
出处
期刊:Nature Communications [Nature Portfolio]
卷期号:11 (1) 被引量:205
标识
DOI:10.1038/s41467-020-17910-1
摘要

Through advanced mechanistic modeling and the generation of large high-quality datasets, machine learning is becoming an integral part of understanding and engineering living systems. Here we show that mechanistic and machine learning models can be combined to enable accurate genotype-to-phenotype predictions. We use a genome-scale model to pinpoint engineering targets, efficient library construction of metabolic pathway designs, and high-throughput biosensor-enabled screening for training diverse machine learning algorithms. From a single data-generation cycle, this enables successful forward engineering of complex aromatic amino acid metabolism in yeast, with the best machine learning-guided design recommendations improving tryptophan titer and productivity by up to 74 and 43%, respectively, compared to the best designs used for algorithm training. Thus, this study highlights the power of combining mechanistic and machine learning models to effectively direct metabolic engineering efforts.
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