A unified computational framework for quantitative design and optimization of transcriptional regulation across bacterial species

生物 计算生物学 转录调控 合理设计 模块化设计 抄写(语言学) 合成生物学 公制(单位) 转录活性 RNA聚合酶 计算模型 基因表达调控 系统生物学 遗传学 转录因子 微生物遗传学 核糖核酸 细菌转录 计算机科学 细菌蛋白 生化工程 生物信息学 相互信息 实验进化
作者
Tianze Wang,Ronghui Xie,Z. W.,Ye Chen
出处
期刊:Nucleic Acids Research [Oxford University Press]
卷期号:54 (1)
标识
DOI:10.1093/nar/gkaf1472
摘要

Abstract Precise modeling of transcriptional regulation is essential for the rational design of genetic circuits in synthetic biology. Current computational approaches for predicting transcriptional activity (ITX) typically lack mechanistic clarity, composability, and scalability, and require extensive training data. Here, we present a modular thermodynamic modeling framework that explicitly parameterizes molecular interactions among promoters, RNA polymerase (RNAP) and transcription factors (TFs). Implemented as the computational platform, T-Pro, this approach provides robust interpretability, scalability, and predictive power. Experimental validation across three distinct bacteria—Escherichia coli, Bacillus subtilis, and Corynebacterium glutamicum—demonstrates substantial improvements (up to 20-fold) in a composite transcriptional performance metric (Fmax*FC), achieved within only three Design–Build–Test–Learn cycles and fewer than five genetic constructs in total. Furthermore, we validate the framework by engineering multispecies bacterial communication circuit, highlighting its broad utility and generalizability. The principles and tools developed here thus enable efficient, rational optimization of transcriptional regulation across diverse prokaryotic hosts.

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