在过去的20年里，生物学和医学研究人员创建了布尔网络模型来模拟复杂系统并寻找解决方案，包括结直肠癌的新疗法。
“布尔网络模型的运行假设是，调控网络中的每个基因都可以有两种状态之一：开启或关闭，”爱荷华州立大学系统生物学家兼数学副教授克劳斯·卡德尔卡(ClausKadelka)说。
卡德尔卡和本科生研究人员在《科学进展》上发表了一项研究，阐明了这些基因调控网络数学模型中的常见设计原则。
他说，展示数百万年来演变的特征可以为数学家、计算机科学家和合成生物学家“指导精确模型构建的过程”。
“进化塑造了以非常具体、优化的方式控制细胞决策的网络。尝试设计执行特定功能的电路的合成生物学家可以从这种受进化启发的设计中学习，”卡德尔卡说。
基因调控网络决定生物体中发生的事情以及发生的位置。例如，它们会促使胃内壁的细胞(而不是眼睛中的细胞)产生盐酸，尽管您体内的所有细胞都含有相同的DNA。
卡德尔卡在一张纸上画出了一个简单的、假设的基因调控网络。基因A产生一种蛋白质，该蛋白质会打开基因B，基因B会打开基因C，而基因C会关闭基因A。这种负反馈循环与空调的概念相同，空调一旦房间达到一定温度就会关闭。
但基因调控网络可能庞大且复杂。研究人员数据集中的布尔模型之一涉及300多个基因。除了负反馈环路之外，基因调控网络还可能包含正反馈环路和前馈环路，它们会增强或延迟反应。执行相同功能的冗余基因也很常见。
卡德尔卡说，在新论文中强调的这些和其他设计原则中，最丰富的原则之一是“运河化”。它指的是网络中基因之间的层次结构或重要性排序。
爱荷华州立大学大四学生艾迪生·施密特(左)和数学副教授克劳斯·卡德尔卡(右)站在卡弗大厅的黑板前，黑板上描绘了基因调控网络。图片来源：ChristopherGannon/爱荷华州立大学
可获得的数据，由本科生研究支持
卡德尔卡强调，如果没有“一年级导师计划”，该项目将很难完成，该计划将爱荷华州荣誉计划的学生与整个校园的研究机会相匹配。
本科生帮助Kadelka开发了一种算法，可以扫描3000万篇生物医学期刊文章，并筛选出最有可能包含布尔生物网络模型的文章。研究人员逐一审阅了2000篇文章后，确定了大约160个模型，其中包含近7000个调控基因。
艾迪生·施密特(AddisonSchmidt)现为计算机科学专业大四学生，也是该论文的合著者之一。2021年，当他作为一名新生参与该项目时，他为该项目创建了一个在线数据库。
在过去的20年里，生物学和医学研究人员创建了布尔网络模型来模拟复杂系统并寻找解决方案，包括结直肠癌的新疗法。
“布尔网络模型的运行假设是，调控网络中的每个基因都可以有两种状态之一：开启或关闭，”爱荷华州立大学系统生物学家兼数学副教授克劳斯·卡德尔卡(ClausKadelka)说。
卡德尔卡和本科生研究人员在《科学进展》上发表了一项研究，阐明了这些基因调控网络数学模型中的常见设计原则。
他说，展示数百万年来演变的特征可以为数学家、计算机科学家和合成生物学家“指导精确模型构建的过程”。
“进化塑造了以非常具体、优化的方式控制细胞决策的网络。尝试设计执行特定功能的电路的合成生物学家可以从这种受进化启发的设计中学习，”卡德尔卡说。
基因调控网络决定生物体中发生的事情以及发生的位置。例如，它们会促使胃内壁的细胞(而不是眼睛中的细胞)产生盐酸，尽管您体内的所有细胞都含有相同的DNA。
卡德尔卡在一张纸上画出了一个简单的、假设的基因调控网络。基因A产生一种蛋白质，该蛋白质会打开基因B，基因B会打开基因C，而基因C会关闭基因A。这种负反馈循环与空调的概念相同，空调一旦房间达到一定温度就会关闭。
但基因调控网络可能庞大且复杂。研究人员数据集中的布尔模型之一涉及300多个基因。除了负反馈环路之外，基因调控网络还可能包含正反馈环路和前馈环路，它们会增强或延迟反应。执行相同功能的冗余基因也很常见。
卡德尔卡说，在新论文中强调的这些和其他设计原则中，最丰富的原则之一是“运河化”。它指的是网络中基因之间的层次结构或重要性排序。
爱荷华州立大学大四学生艾迪生·施密特(左)和数学副教授克劳斯·卡德尔卡(右)站在卡弗大厅的黑板前，黑板上描绘了基因调控网络。图片来源：ChristopherGannon/爱荷华州立大学
可获得的数据，由本科生研究支持
卡德尔卡强调，如果没有“一年级导师计划”，该项目将很难完成，该计划将爱荷华州荣誉计划的学生与整个校园的研究机会相匹配。
本科生帮助Kadelka开发了一种算法，可以扫描3000万篇生物医学期刊文章，并筛选出最有可能包含布尔生物网络模型的文章。研究人员逐一审阅了2000篇文章后，确定了大约160个模型，其中包含近7000个调控基因。
艾迪生·施密特(AddisonSchmidt)现为计算机科学专业大四学生，也是该论文的合著者之一。2021年，当他作为一名新生参与该项目时，他为该项目创建了一个在线数据库。