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利用可控制生物元件及回饋設計增加基因迴路之穩定性
(2009)
李曉青
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Lee Hsiao-Ching
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國立交通大學生物科技學系(所)
合成生物學意指利用不同生物元件組合成基因迴路，讓其依循可預期的方式表現出特定功能。計畫中將建構不同轉錄強度的啟動子，並在啟動子上組合抑制子及活化子結合序列，增加生物元件的可選擇性及可調控性，建立多樣化的生物元件資料庫。將這些生物元件構築於質體中，便能組成基因迴路，控制宿主細胞進行一系列的工作。但是基因迴路在細胞中會遭受外界環境及宿主細胞內部訊息干擾，使外加的基因迴路無法穩定運作。為解決此問題，我們將建立數學模型描述基因迴路動態行為，將回饋機制設計於基因迴路中，增加迴路輸出訊號之穩定性，降低不同細胞間基因表現量的差異。之後利用實驗數據修正基因迴路運作的動態方程組，使基因迴路的表現可以由數學模型模擬再現，進一步預測出不同基因迴路運作的動態形式。本計畫整合模擬及實驗，可定性及定量描述各生物元件及基因間的交互作用，由下而上更瞭解基因網路間的調控方式，提出更佳方式來建構穩定的生物基因迴路。而且當生物元件資料庫擴增後，可以依各元件特性，用電子電路設計概念，由生物元件資料庫中組合出最適合的基因迴路，用來改造菌株。這項計畫的成果將可應用於設計經濟效益最佳的能源生產途徑，並拓展到產業應用。
定義模組化DNA元件特性用已設計基因迴路與控制大腸桿菌行為
(2011)
李曉青
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Lee Hsiao-Ching
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國立交通大學生物科技學系（所）
合成生物學是現代生物學的新興研究領域，其利用基因重組技術製造各種生物元件，組合成生物 IC電路，讓其依循可預期的方式表現出特定功能，控制細胞進行一系列的工作。現今架構生物IC電路面臨的難題是生物電路在細胞內表現短暫功能後會逐漸崩潰，無法穩定運作於細胞中。基因表達時的雜訊，不同RNA 剪裁、DNA突變及熱擾動等造成內在生化參數變動，以及細胞環境變遷與其他基因交互作用所造成的干擾，都會使人工製造出來的基因電路無法穩定運作。因此如何設計可以忍受內在及外界干擾的強健基因網路，是生物IC電路亟待解決的重要課題。為解決此問題，我們將建立數學模型描述基因迴路動態行為，將回饋機制設計於基因迴路中，增加迴路輸出訊號之穩定性，降低不同細胞間基因表現量的差異。之後利用實驗數據修正基因迴路運作的動態方程組，使基因迴路的表現可以由數學模型模擬再現，進一步預測出不同基因迴路運作的動態形式。此外我們將選出有較低突變率的大腸桿菌基因型，使基因迴路在宿主細胞中能穩定表現，達到控制生物行為的目標。計畫主要目的為(1)建立多樣化的生物元件資料庫，以實驗量測DNA 元件之輸入輸出特性，以增加生物元件的可控制性。(2) 降低基因迴路在宿主細胞的突變機率，增加基因迴路於宿主細胞中的穩定性。(3) 利用回饋迴路設計強健性的基因迴路，使其能在內部雜訊及外加干擾存在下，還能持續穩定表現。(4) 量測基因迴路輸入及輸出訊號，分析基因迴路調控的雜訊分佈，並找出在內部雜訊及外部雜訊干擾下，還能有強健性的基因迴路設計。(5)利用實驗數據修正基因迴路運作的動態方程組，使基因迴路的表現可以由數學模型模擬再現，進一步預測出不同基因迴路運作的動態形式。(6)將具有功能性的基因迴路構築於大腸桿菌中，達到控制細菌行為的目標。本計畫整合模擬及實驗，可定性及定量描述各生物元件及基因間的交互作用，由下而上更瞭解基因網路間的調控方式，提出更佳方式在大腸桿菌中建構穩定的生物基因迴路。而且當生物元件資料庫擴增後，可以依各元件特性，用電子電路設計概念，由生物元件資料庫中組合出最適合的基因迴路，用來改造菌株。這項計畫的成果將可應用於設計經濟效益最佳的能源生產途徑，並拓展到產業應用。
用系統工程方法設計強健生物IC 電路---子計畫六：以定向演化達成合成途徑最佳化與驗證強健系統設計理論
(2010)
李曉青
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Lee Hsiao-Ching
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國立交通大學生物科技學系（所）
用系統工程方法設計強健生物IC電路---子計畫三：以定向演化達成合成途徑最佳化與驗證強健系統設計理論
(2009)
李曉青
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Lee Hsiao-Ching
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國立交通大學生物科技學系(所)
合成生物學是現代生物學的新興研究領域，其利用基因重組技術製造各種生物元件，組合成生物IC電路，讓其依循可預期的方式表現出特定功能，控制細胞進行一系列的工作。現今架構生物IC電路面臨的難題是生物電路在細胞內表現短暫功能後會逐漸崩潰，無法穩定運作於細胞中。基因表達時的雜訊，不同RNA剪裁、DNA突變及熱擾動等造成內在生化參數變動，以及細胞環境變遷與其他基因交互作用所造成的干擾，都會使人工製造出來的基因電路無法穩定運作。因此如何設計可以忍受內在及外界干擾的強健基因網路，是生物IC電路亟待解決的重要課題。在生物體中建構基因電路需要瞭解生物細胞中許多未知的生化參數，例如mRNA及蛋白質的穩定性，DNA與蛋白質的交互作用等等。為了克服此難題，我們將建立生物元件DNA 序列資料庫並量測其輸出訊號表現強度，此資料庫可以提供構築基因電路所需之生物元件。不過現今生物元件庫組合還不夠多，往往只能先組裝出最接近設計藍圖的生物IC電路。這種無法精確組裝的生物IC電路不見得可以在宿主細胞中穩定運作，這也是現今已發表的生物電路無法穩定表現的原因之一。本子計畫將引入定向演化技術改良生物IC電路組裝無法逼近設計藍圖的問題。利用定向演化使啟動子轉錄強度發生變化，我們再由不同調控強度組合的生物IC電路中，選取最接近設計藍圖的子代。實驗過程將回傳生物電路輸入及輸出訊號給一到五的合作子計畫，分析達成生物 IC電路強健化重要因素。比對模擬與實驗結果，修正強健生物IC理論，再將新的生物電路設計圖回傳給本子計畫驗證強健系統設計理論。依據設計理論架構，我們將於大腸桿菌中組裝最佳化生質丁醇量產途徑，使生產丁醇的經濟效益提昇到有工業應用價值。這項整合性計畫的成果將可利用於設計經濟效益最佳的能源及化學產物生產途徑，應用於未來生質能源領域。