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Hybrid Modeling of Engineered Biological Systems through Coupling Data-Driven Calibration of Kinetic Parameters with Mechanistic Prediction of System Performance

生物系统 均方误差 组分(热力学) 校准 计算机科学 实验设计 实验数据 人工神经网络 近似误差 算法 数学 人工智能 统计 生物 热力学 物理
作者
Cheng Zhang,Avner Ronen,Heyang Yuan
出处
期刊:ACS ES&T water [American Chemical Society]
标识
DOI:10.1021/acsestwater.3c00131
摘要

Mechanistic models can provide predictive insight into the design and optimization of engineered biological systems, but the kinetic parameters in these models need to be frequently calibrated and uniquely identified. This limitation can be addressed by hybrid modeling that integrates mechanistic models with data-driven approaches. Herein, we developed a hybrid modeling strategy using bioelectrochemical systems as a platform system. The data-driven component consisted of artificial neural networks (ANNs) trained with mechanistically derived kinetic parameters as outputs to compute error signals. The hybrid model was built using 148 samples from the literature. After 10-fold cross-validation, the model was tested with another 28 samples. Internal resistance was accurately predicted with a relative root-mean-square error (RMSE) of 3.9%. Microbial kinetic parameters were predicted using the data-driven component and fed into the mechanistic component to simulate the system performance. The R2 values between predicted and observed organic removal and current for systems fed with a simple substrate were 0.90 and 0.94, respectively, significantly higher than those obtained from the stand-alone data-driven model (0.51 and 0) and mechanistic model (0.07 and 0.15). This strategy can potentially be applied to engineered biological systems for in silico system design and optimization.
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