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Integrating Deep Learning and Synthetic Biology: A Co-Design Approach for Enhancing Gene Expression via N-terminal Coding Sequences

终端(电信) 编码(社会科学) 基因 计算生物学 合成生物学 表达式(计算机科学) 基因表达 编码区 生物 计算机科学 遗传学 细胞生物学 计算机网络 数学 程序设计语言 统计
作者
Zhanglu Yan,Weiran Chu,Yuhua Sheng,Kaiwen Tang,Shida Wang,Yanfeng Liu,Weng‐Fai Wong
出处
期刊:Cornell University - arXiv
标识
DOI:10.48550/arxiv.2402.13297
摘要

N-terminal coding sequence (NCS) influences gene expression by impacting the translation initiation rate. The NCS optimization problem is to find an NCS that maximizes gene expression. The problem is important in genetic engineering. However, current methods for NCS optimization such as rational design and statistics-guided approaches are labor-intensive yield only relatively small improvements. This paper introduces a deep learning/synthetic biology co-designed few-shot training workflow for NCS optimization. Our method utilizes k-nearest encoding followed by word2vec to encode the NCS, then performs feature extraction using attention mechanisms, before constructing a time-series network for predicting gene expression intensity, and finally a direct search algorithm identifies the optimal NCS with limited training data. We took green fluorescent protein (GFP) expressed by Bacillus subtilis as a reporting protein of NCSs, and employed the fluorescence enhancement factor as the metric of NCS optimization. Within just six iterative experiments, our model generated an NCS (MLD62) that increased average GFP expression by 5.41-fold, outperforming the state-of-the-art NCS designs. Extending our findings beyond GFP, we showed that our engineered NCS (MLD62) can effectively boost the production of N-acetylneuraminic acid by enhancing the expression of the crucial rate-limiting GNA1 gene, demonstrating its practical utility. We have open-sourced our NCS expression database and experimental procedures for public use.
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