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GenoCAD

GenoCAD es una de las primeras herramientas de diseño asistido por computadora para biología sintética . [ 1 ] El software es una herramienta bioinformática desarrollada y mante...

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GenoCAD es una de las primeras herramientas de diseño asistido por computadora para biología sintética . [ 1 ] El software es una herramienta bioinformática desarrollada y mantenida por GenoFAB, Inc. GenoCAD facilita el diseño de vectores de expresión de proteínas, redes génicas artificiales y otras construcciones genéticas para ingeniería genética y se basa en la teoría de lenguajes formales . [ 2 ]

Historia

GenoCAD surgió como una ramificación de un intento de formalizar las restricciones funcionales de las construcciones genéticas utilizando la teoría de los lenguajes formales . En 2007, investigadores del Instituto de Bioinformática de Virginia , Virginia Tech , crearon el sitio web genocad.org (actualmente fuera de servicio) como prueba de concepto . Mediante este sitio web, los usuarios podían diseñar genes reemplazando repetidamente construcciones genéticas de alto nivel con construcciones genéticas de bajo nivel y, finalmente, con secuencias de ADN reales. [ 2 ]

El 31 de agosto de 2009, la Fundación Nacional de Ciencias otorgó una subvención de tres años por valor de 1.421.725 dólares al Dr. Jean Peccoud, profesor asociado del Instituto de Bioinformática de Virginia en Virginia Tech , para el desarrollo de GenoCAD. [ 3 ] GenoCAD fue y sigue siendo desarrollado por GenoFAB, Inc. , una empresa fundada por Peccoud (actualmente director científico y director ejecutivo interino ), quien también fue uno de los autores del estudio original. [ 2 ]

El código fuente de GenoCAD se publicó originalmente en SourceForge en diciembre de 2009. [ 4 ]

La versión 2.0 de GenoCAD se lanzó en noviembre de 2011 e incluyó la capacidad de simular el comportamiento del código genético diseñado. Esta función fue el resultado de una colaboración con el equipo responsable de COPASI . [ 5 ]

En abril de 2015, Peccoud y sus colegas publicaron una biblioteca de partes biológicas, llamada GenoLIB, [ 6 ] que puede incorporarse a la plataforma GenoCAD. [ 7 ]

Objetivos

Los cuatro objetivos del proyecto son desarrollar un: [ 8 ]

  1. Lenguaje informático para representar la estructura de moléculas de ADN sintético utilizadas en células de E. coli , levadura , ratones y Arabidopsis thaliana.
  2. compilador capaz de traducir secuencias de ADN en modelos matemáticos para predecir el fenotipo codificado.
  3. Entorno de flujo de trabajo colaborativo que permite compartir piezas, diseños y recursos de fabricación.
  4. medios para transmitir los resultados a la comunidad de usuarios a través de un consejo asesor externo, una conferencia anual de usuarios y la divulgación a la industria.

Características

Las características principales de GenoCAD se pueden organizar en tres categorías principales. [ 9 ]

Flujo de trabajo de GenoCAD
  • Gestión de secuencias genéticas : El objetivo de este conjunto de funciones es ayudar a los usuarios a identificar, dentro de grandes colecciones de fragmentos genéticos, los fragmentos necesarios para un proyecto y organizarlos en bibliotecas específicas para dicho proyecto.
    • Partes genéticas : Las partes tienen un identificador único, un nombre y una descripción más general. También poseen una secuencia de ADN . Las partes se asocian a una gramática y se asignan a una categoría, como promotor , gen , etc.
    • Bibliotecas de piezas : Las colecciones de piezas se organizan en bibliotecas. En algunos casos, las bibliotecas de piezas corresponden a piezas importadas de una única fuente, como otra base de datos de secuencias . En otros casos, las bibliotecas corresponden a las piezas utilizadas para un proyecto de diseño específico. Las piezas se pueden mover de una biblioteca a otra mediante un área de almacenamiento temporal llamada carrito (similar a los carritos de compra en el comercio electrónico).
    • Búsqueda de piezas : Los usuarios pueden buscar en la base de datos de piezas mediante el motor de búsqueda Lucene . Dispone de modos de búsqueda básica y avanzada. Los usuarios pueden crear consultas complejas y guardarlas para su uso posterior.
    • Importación/Exportación de partes : Las partes se pueden importar y exportar individualmente o como bibliotecas completas utilizando formatos de archivo estándar (por ejemplo, GenBank , delimitado por tabuladores , FASTA , SBML ).
  • Combinación de secuencias en construcciones genéticas : El objetivo de este grupo de funciones es simplificar el proceso de combinación de partes genéticas en diseños que cumplan con una estrategia de diseño específica.
    • Herramienta de diseño mediante clic : Este asistente guía al usuario a través de una serie de decisiones de diseño que determinan la estructura del diseño y la selección de las piezas incluidas en el mismo.
    • Gestión de diseños : Los diseños se pueden guardar en el espacio de trabajo del usuario . El estado de los diseños se actualiza periódicamente para advertir a los usuarios sobre las consecuencias de editar partes de diseños guardados previamente.
    • Exportación de diseños : Los diseños se pueden exportar utilizando formatos de archivo estándar (por ejemplo, GenBank , delimitado por tabulaciones , FASTA ).
    • Seguridad del diseño : Los diseños están protegidos de ciertos tipos de errores al obligar al usuario a seguir la estrategia de diseño adecuada.
    • Simulación : Las secuencias diseñadas en GenoCAD pueden simularse para mostrar la producción química en la célula resultante. [ 10 ]
  • Espacio de trabajo del usuario : Los usuarios pueden personalizar su espacio de trabajo añadiendo piezas a la base de datos de GenoCAD, creando bibliotecas especializadas que correspondan a proyectos de diseño específicos y guardando los diseños en diferentes etapas de desarrollo.

Fundamentos teóricos

GenoCAD se basa en la teoría de los lenguajes formales ; en particular, en las reglas de diseño que describen cómo combinar diferentes tipos de partes y formar gramáticas libres de contexto . [ 2 ]

Una gramática libre de contexto se puede definir mediante sus terminales, variables, variable de inicio y reglas de sustitución. [ 11 ] En GenoCAD, los terminales de la gramática son secuencias de ADN que cumplen una función biológica específica (por ejemplo, un promotor ). Las variables son menos homogéneas: pueden representar secuencias más largas con múltiples funciones o una sección de ADN que puede contener varias secuencias diferentes pero que cumplen la misma función (por ejemplo, una variable representa el conjunto de promotores). GenoCAD incluye reglas de sustitución integradas para garantizar la viabilidad biológica de la secuencia de ADN. Los usuarios también pueden definir sus propias reglas para otros fines.

Diseñar una secuencia de ADN en GenoCAD es muy similar a crear una derivación en una gramática libre de contexto. El usuario comienza con la variable de inicio y selecciona repetidamente una variable y una sustitución para ella hasta que solo queden terminales. [ 2 ]

Alternativas

Las alternativas más comunes a GenoCAD son Proto, GEC y EuGene [ 12 ].

Referencias

  1. 1 2 Beal, Jacob; Phillips, Andrew; Densmore, Douglas; Cai, Yizhi (2011). "Lenguajes de programación de alto nivel para sistemas biomoleculares". En Koeppl, Heinz; Densmore, Douglas; Setti, Gianluca; di Bernardo, Mario (eds.). Diseño y análisis de circuitos biomoleculares . Nueva York Dordrecht Heidelberg Londres: Springer. pág.  241. doi : 10.1007/978-1-4419-6766-4 . ISBN 978-1-4419-6765-7.
  2. 1 2 3 4 5 Cai Y; Hartnett B; Gustafsson C; Peccoud J (2007). "Un modelo sintáctico para diseñar y verificar construcciones genéticas sintéticas derivadas de partes biológicas estándar" . Bioinformatics . 23 (20): 2760– 7. doi : 10.1093/bioinformatics/btm446 . PMID 17804435 . 
  3. ↑ Jodi Lewis (14 de septiembre de 2009). "La Fundación Nacional de Ciencias otorga 1,4 millones de dólares para el desarrollo de GenoCAD" . Archivado del original el 11 de junio de 2015. Consultado el 7 de octubre de 2013 .
  4. ↑ "Código GenoCAD" . Sourceforge . Consultado el 8 de octubre de 2013 .
  5. ↑ Wilson, Mandy. "Notas de la versión de GenoCAD" . Peccoud Lab . Archivado del original el 13 de octubre de 2013. Consultado el 8 de octubre de 2013 .
  6. ↑ Adames, Neil; Wilson, Mandy; Fang, Gang; Lux, Matthew; Glick, Benjamin; Peccoud, Jean (29 de abril de 2016). "GenoLIB: una base de datos de partes biológicas derivadas de una biblioteca de características comunes de plásmidos" . Nucleic Acids Research . 43 (10): 4823–32 . doi : 10.1093 / nar/gkv272 . PMC 4446419. PMID 25925571 .  
  7. ↑ Adames N, Wilson M, Fang G, Lux M, Glick B, Peccoud J (2015). "GenoLIB: una base de datos de partes biológicas derivadas de una biblioteca de características comunes de plásmidos" . Nucleic Acids Research . 43 (10): 4823–32 . doi : 10.1093 / nar/gkv272 . PMC 4446419. PMID 25925571 .  
  8. ↑ Jean Peccoud (21 de junio de 2013). "GenoCAD: Diseño asistido por computadora de ADN sintético" . Archivado del original el 7 de julio de 2013. Recuperado el 7 de octubre de 2013 .
  9. ↑ Wilson ML; Hertzberg R; Adam L; Peccoud J (2011). "Introducción paso a paso al diseño basado en reglas de construcciones genéticas sintéticas mediante GenoCAD". Biología sintética, parte B: diseño asistido por ordenador y ensamblaje de ADN . Métodos en enzimología. Vol. 498. págs. 173–88 . doi : 10.1016/B978-0-12-385120-8.00008-5 . ISBN   978-0-12-385120-8. PMID 21601678 . 
  10. ↑ Cai, Y.; Lux, MW; Adam, L.; Peccoud, J. (2009). Sauro, Herbert M (ed.). "Modelado de relaciones estructura-función en secuencias de ADN sintéticas mediante gramáticas de atributos" . PLOS Computational Biology . 5 (10) e1000529. Bibcode : 2009PLSCB...5E0529C . doi : 10.1371/journal.pcbi.1000529 . PMC 2748682. PMID 19816554 .  
  11. ↑ Sipser, Michael (2013). Introducción a la teoría de la computación, tercera edición . Boston, MA, EE. UU.: Cengage Learning. pág. 104. ISBN  978-1-133-18779-0.
  12. 1 2 3 4 5 6 7 8 Habibi, N., Mohd Hashim, SZ, Rodriguez, CA, & Samian, MR (2013). Una revisión de CAD, lenguajes y modelos de datos para biología sintética. Jurnal Teknologi, 63(1).
  13. ↑ Pedersen, M. (2010). Lenguajes modulares para sistemas y biología sintética.
  • GenoCAD.com
  • Página del proyecto en SourceForge
  • Tutoriales y preguntas frecuentes
  • Laboratorio Peccoud