基本信息
- 项目名称：
- 基因编译器
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 生命科学
- 大类：
- 科技发明制作B类
- 简介：
- 基因编译器是新一代的序列优化软件，提供4种密码子优化算法及定量模拟翻译过程，评估优化效果模块，可以满足研究者及生物网络建模的多种需求，创新性强，应用广，前景好。
- 详细介绍：
- 基因编译器是一个新的密码子优化开源软件，通过四个基于不同算法的密码子转换模块（同义替换、快链、慢链、匹配），该软件可以满足多种科研需求。除了多种优化选项，基因编译器的最大亮点在于其第五模块“计算RiPS”。该模块基于经典的TASEP数学模型，用于计算所有输入和输出序列的翻译速率，最终以RiPS（核糖体/秒）为单位输出，由此可以量化每条序列的翻译情况，有助于评估优化效果和设计基因通路。基因编译器软件、使用手册和源代码可以在以下网址免费获得：
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 随着基因工程和生物技术的发展，目前有越来越多的生物研究和工程需要表达外源蛋白，而当外源蛋白基因和宿主的密码子偏好性差异较大时，外源蛋白的表达会很不理想，甚至完全失败。为了解决这个问题以及更好地辅助实验，我们根据各物种的密码子偏好性数据库开发了新一代的序列优化软件——基因编译器。 我们首先根据学术界的2种主流序列优化思路开发了2种序列优化算法（快链和匹配）。而我们和许多研究者交流后发现了对非翻译速率最大化改写算法的需求，因此又相应开发了序列改写算法（同义替换和慢链）以满足不同研究人群的需要。“同义替换”算法实现了外源蛋白在变换宿主后翻译速率影响最小化，而“慢链”是与优化算法“快链”相反的算法，目标将翻译速率最小化，可以保证蛋白在翻译过程中的正确折叠和修饰。 同时为了实现对蛋白翻译速率的定量预测和根据目标翻译速率改写序列，我们建立了定量预测蛋白翻译速率的数学模型，通过蒙特卡洛模拟得到其数值解，并将该模型整合在软件中，使基因编译器具有计算任何编码序列在任何物种中翻译速率的能力。 由此，本软件不仅可以提供序列优化改写功能，还能预测各序列的翻译速率，这为搭建预测性更强，更稳定的生物系统打下了良好基础。 此外，为了使我们的模型结果和软件优化算法更可靠，我们还进行了生物学实验来修正翻译速率预测模型，并验证我们的优化效果。
科学性、先进性
- 基因编译器是新一代的序列优化软件，与现有优化软件相比有较大突破： （1）目前的序列优化软件往往只提供一种单一的算法1，2，而学术界在最优算法方面存在争议3，4。本软件在优化翻译速率方面同时提供了两种算法（快链和比例匹配），代表了两个主流的优化算法，可以为研究者提供更多的优化选择。 （2）目前的序列优化软件都是以翻译速率最大化为目标的1，2，5。而本软件除传统的优化翻译速率外还提供了另外2个非翻译速率最大化的序列改写算法（同义替换和慢链），这是非常有独创性的，并为研究者提供了更多序列改方法。 （3）虽然已经有许多蛋白翻译速率的预测模型6，7，但本软件是目前第一个提供翻译速率预测功能的软件。其他序列优化软件都只是简单地改写出序列，却并没有对优化的新序列进行定量分析。本软件不仅完成了优化序列功能，还能定量预测出各编码序列的翻译速率，为设计和模拟大规模的生物系统提供了可能。这对于推进生物的工程化和定量化都有里程碑意义。
获奖情况及鉴定结果
- 无
作品所处阶段
- 研发阶段
技术转让方式
- 无
作品可展示的形式
- 现场演示；下载使用；视频录像
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 基因编译器的实际应用价值高，且现实意义重大。首先，鉴于大多数基因工程及生物实验研究都会涉及外源蛋白的表达，本软件受众范围很广，可以辅助各种涉及外源蛋白表达的实验项目或工程。本软件的序列优化功能不仅可以使实验更加顺利高效，还同时具有较大的市场效应。通过优化外源蛋白的表达，软件将有助于生物发酵工程中目标蛋白产量的提升，由此产生较大的经济效益和社会价值。而软件的翻译速率定量预测模型以及辅助的生物学实验在一些新兴学科和领域（如合成生物学，系统生物学等）的发展上都有较大意义。其翻译速率定量化模型不仅推动了生物元件的标准化和特征化，使得生物技术和过程更加工程化，同时还为基因网络的构建和系统预测提供了必要支撑。本软件使得改写基因序列和控制翻译速率成为了可能，同时也进一步揭示了蛋白翻译过程的原理和规律。 基因编译器是一个免费且开源软件，其使用说明请见附件中的用户使用手册。此外，本软件界面清晰简单，非常容易使用。不过为了更加方便用户，我们还制作了软件的教学视频发布在各大视频网站。
同类课题研究水平概述
- 生物密码子偏好性研究水平： 不同物种具有不同的密码子偏好性，学术界目前认为这是一个进化特征。而其具体形成的原因和机制以及密码子偏好性的作用目前仍不明晰。不过已有许多实验和发表的文献证实密码子偏好性对基因翻译速率的影响，并认为这是影响外源基因表达效率的一个重要因素。例如，在基因工程中，当外源蛋白和宿主的密码子偏好性差异较大时，基因表达很低或几乎无法检测到；然而通过突变等手段将该外源基因的密码子偏好性改为与宿主相近时，表达的蛋白显著提升。 随着基因测序技术的发展，现已有专门的生物密码子偏好性数据库，包含上千种物种可供查询。 基因序列编译软件研究水平： 随着DNA合成技术的发展，已相继出现了越来越多的基因序列编译软件，其中许多是建立在优化序列密码子偏好性上的。然而目前这些编译软件的缺陷在于功能单一（只有优化功能），算法单一，且只在定性分析的水平。这从一定程度上无法满足基因工程以及合成生物学对定量化生物系统的需求。
