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贝叶斯设计的合成生物系统。

Bayesian design of synthetic biological systems.

机构信息

Center for Bioinformatics, Division of Molecular Biosciences, Institute of Mathematical Sciences, Imperial College London, London SW7 2AZ, United Kingdom.

出版信息

Proc Natl Acad Sci U S A. 2011 Sep 13;108(37):15190-5. doi: 10.1073/pnas.1017972108. Epub 2011 Aug 29.

Abstract

Here we introduce a new design framework for synthetic biology that exploits the advantages of Bayesian model selection. We will argue that the difference between inference and design is that in the former we try to reconstruct the system that has given rise to the data that we observe, whereas in the latter, we seek to construct the system that produces the data that we would like to observe, i.e., the desired behavior. Our approach allows us to exploit methods from Bayesian statistics, including efficient exploration of models spaces and high-dimensional parameter spaces, and the ability to rank models with respect to their ability to generate certain types of data. Bayesian model selection furthermore automatically strikes a balance between complexity and (predictive or explanatory) performance of mathematical models. To deal with the complexities of molecular systems we employ an approximate Bayesian computation scheme which only requires us to simulate from different competing models to arrive at rational criteria for choosing between them. We illustrate the advantages resulting from combining the design and modeling (or in silico prototyping) stages currently seen as separate in synthetic biology by reference to deterministic and stochastic model systems exhibiting adaptive and switch-like behavior, as well as bacterial two-component signaling systems.

摘要

在这里,我们引入了一个新的合成生物学设计框架,该框架利用了贝叶斯模型选择的优势。我们将论证,推理和设计的区别在于,前者我们试图重建产生我们所观察到的数据的系统,而后者,我们寻求构建产生我们希望观察到的数据的系统,即期望的行为。我们的方法允许我们利用贝叶斯统计学的方法,包括对模型空间和高维参数空间的有效探索,以及对模型生成特定类型数据的能力进行排序的能力。贝叶斯模型选择还自动在数学模型的复杂性和(预测或解释)性能之间取得平衡。为了处理分子系统的复杂性,我们采用了一种近似贝叶斯计算方案,该方案只要求我们从不同的竞争模型中进行模拟,以得出在它们之间进行选择的合理标准。我们通过参考表现出自适应和开关样行为的确定性和随机模型系统以及细菌双组分信号系统,说明了将目前在合成生物学中视为独立的设计和建模(或计算机原型设计)阶段结合起来所带来的优势。

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