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天津工业生物所开发全流程自动化的高通量编辑序列设计在线工具AutoESD
  发布时间:2022-06-04    供稿部门:生物设计中心平台实验室

  遗传操作(genetic manipulation)是合成生物学及代谢工程的基础,其核心目标是按照细胞设计蓝图对基因组DNA序列进行精准的靶向改造(敲除、插入和替换)。遗传操作的一个关键步骤是进行编辑序列设计(editing sequence design),即针对遗传操作中用于精确定位和编辑目标DNA序列的相关序列(如引物序列、同源臂序列、sgRNA序列等)进行设计。目前,随着遗传操作技术的快速发展,编辑结果的准确性、效率和可操作性也不断提高,但编辑序列设计仍然存在以下几种问题:(1)人工设计高度依赖研究者自身的经验,存在一定的主观性、偏好性与片面性,设计结果往往千差万别;(2)目前计算机辅助设计,单一的工具往往只能覆盖遗传操作的部分环节,而且不同软件间的数据交换一般是非标准化的,用户必需协同学习和使用多种不同的软件工具,而且不同软件建输入输出信息进行手动转换或加工;(3)生物铸造厂(BioFoundry)的高速发展,使高通量的遗传操作成为可能,而目前这种人工或者半自动化的编辑序列设计模式,已经无法匹配现有硬件设施的操作通量,亟待升级。 

  为此,中国科学院天津工业生物技术研究所生物设计中心平台实验室开发了目前首个面向微生物遗传操作的全流程自动化的高通量编辑序列设计在线工具AutoESD Automatic Editing Sequence Design, javascript:;)。通过对遗传操作技术的模块化解构与标准化处理,AutoESD实现了全流程、自动化的编辑序列设计,支持多种基于筛选标记的同源重组技术变种,理论上支持所有基因组序列已知的微生物,并可以在单批次任务中处理针对不同目标序列(CDS 或基因间区域)的多种类型的遗传操作(敲除、插入和替换)。用户仅需要在网站界面,选择参考基因组和遗传操作技术,上传目标操作序列与用户自己的载体和筛选标记序列,AutoESD即可自动实现编辑序列设计供用户下载,并可通过网站进行可视化分析。此外,AutoESD还提供失败任务原因分析、同源序列脱靶风险评估等功能,用户可以根据这些结果,更改默认的参数,进行优化再设计。AutoESD 的开发采用了基于云端的无服务器架构,确保了高可靠性、稳健性和可扩展性,能够在几分钟内并行处理包含上千个编辑序列设计目标的数百个设计任务,为将来实现快速高效的“设计—构建—测试—学习”合成生物学工程循环奠定了基础。 

  该研究得到国家重点研发计划合成生物学专项、国家自然科学基金青年基金项目、天津市合成生物技术创新能力提升行动项目和中国科学院青年创新促进会的支持,相关成果发表在期刊Nucleic Acids Research (NAR)。天津工业生物所杨毅博士、毛雨丰博士后和王若宇助理研究员为论文的共同第一作者,廖小平副研究员和马红武研究员为论文的共同通讯作者。    

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全流程自动化的高通量编辑序列设计在线工具AutoESD 

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