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AI-Guided Design and Predictive Modeling of Synthetic Escherichia coli Promoters through Comprehensive −10/–35 Box Engineering

发起人 合成生物学 计算生物学 生物 计算机科学 共识序列 序列(生物学) 抄写(语言学) 转录调控 生成模型 人工智能 深度学习 卷积神经网络 分类 序列母题 RNA聚合酶 RNA聚合酶Ⅱ 塔塔盒子 遗传学 生成语法 人工神经网络 DNA微阵列 调节顺序 合理设计 序列分析 DNA测序 基因表达调控 理论计算机科学 上游激活序列 基因调控网络 基因组学
作者
Xuan Zhou,Nana Ding,Shenghu Zhou,Yu Deng
出处
期刊:ACS Synthetic Biology [American Chemical Society]
卷期号:15 (2): 728-739
标识
DOI:10.1021/acssynbio.5c00765
摘要

Promoters are essential in transcriptional regulation, with the -10 and -35 boxes playing a critical role in determining their strength. Modulating these regions can effectively fine-tune promoter strength. However, the lack of a clear quantitative relationship between sequence composition and transcriptional output impedes the rational design of promoters. To address this, we developed a synthetic promoter library by varying RNA polymerase binding energies at the -10 and -35 boxes. The library was partitioned into four sublibraries with expression strengths spanning an 80-fold range. Using fluorescence-activated cell sorting followed by sequencing, we identified 20,799 distinct promoters. Analysis of this library uncovered distinct sequence-activity patterns, including a small subset of -35 box sequences that consistently conferred high transcriptional output across diverse -10 partners. Based on this, we developed an artificial intelligence platform that integrates a convolutional neural network for strength prediction (Pearson's r = 0.84) with a balanced generative adversarial network incorporating a gradient penalty for de novo promoter design. By coupling these models, we achieved a precise design of promoters with user-defined strengths (r = 0.85), establishing a bidirectional framework that links -10/-35 boxes to transcriptional activity through deep learning. This study expands the sequence diversity of functional -10 and -35 boxes in E. coli, provides a predictive platform for rational promoter engineering, and deciphers combinatorial motif interactions governing transcriptional regulation.
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