Ultra-high throughput mapping of genetic design space

吞吐量 推论 合成生物学 计算机科学 鉴定(生物学) 功能(生物学) 巨量平行 测距 设计空间探索 计算生物学 生物 人工智能 遗传学 并行计算 植物 嵌入式系统 电信 无线
作者
Ronan W. O’Connell,Kshitij Rai,Trenton C. Piepergerdes,Yiduo Wang,Kian D. Samra,Jack Wilson,Shujian Lin,T. Zhang,Eduardo M. Ramos,Aiwei Sun,Bryce Kille,Kristen Curry,Jason W. Rocks,Todd J. Treangen,Pankaj Mehta,Caleb J. Bashor,Caleb J. Bashor
标识
DOI:10.1101/2023.03.16.532704
摘要

ABSTRACT Massively parallel genetic screens have been used to map sequence-to-function relationships for a variety of genetic elements. However, because these approaches only interrogate short sequences, it remains challenging to perform high throughput (HT) assays on constructs containing combinations of multiple sequence elements arranged across multi-kb length scales. Overcoming this barrier could accelerate synthetic biology; by screening diverse gene circuit designs and learning “composition-to-function” mappings that reveal genetic part composability rules and enable rapid identification of behavior-optimized variants. Here, we introduce CLASSIC, a genetic screening platform that combines long- and short-read next-generation sequencing (NGS) modalities to quantitatively assess pools of constructs of arbitrary length containing diverse part compositions. We show that CLAS-SIC can measure expression profiles of >10 5 gene circuit designs (from 5-20 kb) in a single experiment in human cells. The resulting datasets can be used to train ML models that accurately predict circuit behavior across expansive circuit design landscapes, revealing part composability rules that govern circuit performance. Our work shows that by expanding the throughput of each design-build-test-learn (DBTL) cycle, CLASSIC enhances the pace and scale of synthetic biology and establishes an experimental basis for data-driven design of complex genetic systems.
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