합성생물학 기반 유전자회로 설계용 DNA부품 고속분석기술 개발 최근, 합성생물학의 발전은 생물학적 발견을 기반으로 한 기존 연구 패러다임에 공학 기반의 첨단 기술들이 융합되며 생물학에서 존재하지 않던 기술을 발명하거나 한계를 넘어서는 활용성을 보여주고 있다. 그 중심에는 DNA를 기반으로 한 유전자회로가 있으며 이는 생물 시스템을 사용하여 특정한 기능을 구현해 생물을 마치 하나의 디바이스처럼 사용하고 DNA 조각의 부품화를 통해 생명 현상을 프로그래밍할 수 있는 기반을 제공하고 있다. 그러나, 유전자회로의 광범위한 확장성에 비하여 실제 활용 가능한 회로를 설계 및 제작하기에는 많은 한계가 존재한다. 생물학의 한계로 여겨 졌던 낮은 ...
합성생물학 기반 유전자회로 설계용 DNA부품 고속분석기술 개발 최근, 합성생물학의 발전은 생물학적 발견을 기반으로 한 기존 연구 패러다임에 공학 기반의 첨단 기술들이 융합되며 생물학에서 존재하지 않던 기술을 발명하거나 한계를 넘어서는 활용성을 보여주고 있다. 그 중심에는 DNA를 기반으로 한 유전자회로가 있으며 이는 생물 시스템을 사용하여 특정한 기능을 구현해 생물을 마치 하나의 디바이스처럼 사용하고 DNA 조각의 부품화를 통해 생명 현상을 프로그래밍할 수 있는 기반을 제공하고 있다. 그러나, 유전자회로의 광범위한 확장성에 비하여 실제 활용 가능한 회로를 설계 및 제작하기에는 많은 한계가 존재한다. 생물학의 한계로 여겨 졌던 낮은 재현성과 처리 속도, DNA 조립 기술의 부족은 많은 실험과 노동력을 필요로 하게하고 생물 시스템의 부품화를 위한 양질의 데이터 확보에도 어려움을 주고 있다. 본 논문에서는 최적의 유전자회로를 설계하기 위하여 유전자회로의 핵심 부품인 DNA 부품을 높은 재현성과 처리 속도로 정량화 하는 기술을 개발하였다. 또한 큰 크기의 유전자 회로 혹은 대사 경로를 조립하기 위하여 라이브러리 어셈블리 접근법을 이용하여 실제 회로를 빠르게 제작하는 기술을 개발했다. 1장에서는 유전자회로와 회로를 구성하는 DNA 부품, 모듈, 장치의 개념 그리고 합성생물학에서 유전자회로의 활용성을 소개한다. 또한 정량화된 DNA 부품이 유전자회로의 성능에 어떤 영향을 미치는지, 정량화된 부품을 사용한 최적의 유전자회로 설계방법을 소개한다. 2장은 다수의 DNA 부품을 높은 정확도와 빠른 속도로 정량화 하기 위해 개발한 기술을 소개한다. 부품 정량화를 위한 회로 조립, 표현형 확인, 유전형 확인은 각각 라이브러리 회로조립, 형광기반 이미지 분석, 바코드 서열 부착 long-read sequencing 기술을 사용하여 그 속도가 크게 향상되었다. 해당 기술이 고가의 장비를 이용한 기존 방법과 비교하여 높은 정확도와 재현성을 가지고 있음을 확인하였고, 총 44개의 부품을 1주일 이내에 정량화 하였다. 3장에서는 기존에 사용되는 DNA 조립 방법을 개량하여 상대적으로 큰 크기의 유전자회로와 대사경로 라이브러리 제작에 적합하도록 개선하였다. 그리고 long-read sequencing 기술을 활용하여 DNA 조립 중 라이브러리가 일정하게 유지됨을 검증하였다. 개발된 조립 방법과 초고속 선별법을 사용하여 PET완전 분해에 필요한 대사경로를 E. coli 내에서 최적화하였다. 마지막으로, 앞서 소개한 결과에 대한 간단한 고찰과 추가적인 실험 그리고 추후 개선되어야 할 점을 기록하였다. 본 연구에서 개발된 이미지를 활용한 DNA부품 정량화 방법과 DNA 조립방법 그리고 long-read sequencing을 활용한 방법은 기존 방법들을 개량하여 표현형과 유전형으로 대표되는 정보를 보다 빠르게 얻기 위해 개발되었다. 이렇게 얻은 정보들은 기계학습, 인공지능기술 등 최신 IT 기술과 함께 활용되어 보다 복잡한 유전자회로를 설계하고 생명현상을 프로그래밍 할 수 있는 첨단 바이오 기술의 발전에 기여할 수 있을 것이다.
합성생물학 기반 유전자회로 설계용 DNA부품 고속분석기술 개발 최근, 합성생물학의 발전은 생물학적 발견을 기반으로 한 기존 연구 패러다임에 공학 기반의 첨단 기술들이 융합되며 생물학에서 존재하지 않던 기술을 발명하거나 한계를 넘어서는 활용성을 보여주고 있다. 그 중심에는 DNA를 기반으로 한 유전자회로가 있으며 이는 생물 시스템을 사용하여 특정한 기능을 구현해 생물을 마치 하나의 디바이스처럼 사용하고 DNA 조각의 부품화를 통해 생명 현상을 프로그래밍할 수 있는 기반을 제공하고 있다. 그러나, 유전자회로의 광범위한 확장성에 비하여 실제 활용 가능한 회로를 설계 및 제작하기에는 많은 한계가 존재한다. 생물학의 한계로 여겨 졌던 낮은 재현성과 처리 속도, DNA 조립 기술의 부족은 많은 실험과 노동력을 필요로 하게하고 생물 시스템의 부품화를 위한 양질의 데이터 확보에도 어려움을 주고 있다. 본 논문에서는 최적의 유전자회로를 설계하기 위하여 유전자회로의 핵심 부품인 DNA 부품을 높은 재현성과 처리 속도로 정량화 하는 기술을 개발하였다. 또한 큰 크기의 유전자 회로 혹은 대사 경로를 조립하기 위하여 라이브러리 어셈블리 접근법을 이용하여 실제 회로를 빠르게 제작하는 기술을 개발했다. 1장에서는 유전자회로와 회로를 구성하는 DNA 부품, 모듈, 장치의 개념 그리고 합성생물학에서 유전자회로의 활용성을 소개한다. 또한 정량화된 DNA 부품이 유전자회로의 성능에 어떤 영향을 미치는지, 정량화된 부품을 사용한 최적의 유전자회로 설계방법을 소개한다. 2장은 다수의 DNA 부품을 높은 정확도와 빠른 속도로 정량화 하기 위해 개발한 기술을 소개한다. 부품 정량화를 위한 회로 조립, 표현형 확인, 유전형 확인은 각각 라이브러리 회로조립, 형광기반 이미지 분석, 바코드 서열 부착 long-read sequencing 기술을 사용하여 그 속도가 크게 향상되었다. 해당 기술이 고가의 장비를 이용한 기존 방법과 비교하여 높은 정확도와 재현성을 가지고 있음을 확인하였고, 총 44개의 부품을 1주일 이내에 정량화 하였다. 3장에서는 기존에 사용되는 DNA 조립 방법을 개량하여 상대적으로 큰 크기의 유전자회로와 대사경로 라이브러리 제작에 적합하도록 개선하였다. 그리고 long-read sequencing 기술을 활용하여 DNA 조립 중 라이브러리가 일정하게 유지됨을 검증하였다. 개발된 조립 방법과 초고속 선별법을 사용하여 PET완전 분해에 필요한 대사경로를 E. coli 내에서 최적화하였다. 마지막으로, 앞서 소개한 결과에 대한 간단한 고찰과 추가적인 실험 그리고 추후 개선되어야 할 점을 기록하였다. 본 연구에서 개발된 이미지를 활용한 DNA부품 정량화 방법과 DNA 조립방법 그리고 long-read sequencing을 활용한 방법은 기존 방법들을 개량하여 표현형과 유전형으로 대표되는 정보를 보다 빠르게 얻기 위해 개발되었다. 이렇게 얻은 정보들은 기계학습, 인공지능기술 등 최신 IT 기술과 함께 활용되어 보다 복잡한 유전자회로를 설계하고 생명현상을 프로그래밍 할 수 있는 첨단 바이오 기술의 발전에 기여할 수 있을 것이다.
High-throughput part characterization technique for synthetic biology based genetic circuit design Recently, the advance of synthetic biology shows usability that goes beyond the limits of biology based on biological discovery and engineering-based cutting-edge technologies. At the center of...
High-throughput part characterization technique for synthetic biology based genetic circuit design Recently, the advance of synthetic biology shows usability that goes beyond the limits of biology based on biological discovery and engineering-based cutting-edge technologies. At the center of synthetic biology is a genetic circuit, which use biological systems to implement functions did not exist in nature, to use biological systems as a device in engineering. It allows us to program biological phenomena by turning DNA fragments into DNA parts. However, there are many limitations in designing and building a genetic circuit compared to the broad scalability and usability. The limitations (low-reproducibility, low-throughput, and lack of DNA assembly technique) require a lot of experimentation and labor, and it also difficult to obtain high-quality data for biological systems. In this study, in order to design the optimal genetic circuit, we developed the techniques to characterize the DNA parts, a key component of the genetic circuit, with high-reproducibility, throughput and to assemble large-scale genetic circuit or metabolic pathway from scratch DNA parts. Chapter I introduces genetic circuits and the concept of DNA part, module and device that compose the circuits and the applications of genetic circuits in synthetic biology. And how characterized DNA parts affect the performance of genetic circuits and the optimal genetic circuit design methods using characterized DNA part will be introduced. Chapter II introduces the technology developed to characterize multiple DNA parts with high accuracy and throughput. The circuit assembly, phenotyping and genotyping for part characterization were greatly improved by using library assembly, fluorescence-based image analysis, barcode attached long-read sequencing technology, respectively. It was confirmed that this method had high accuracy and reproducibility compared to the existing method using expensive equipment, and a total of 44 parts were characterized within one week. Chapter III, the existing DNA assembly method was improved to be suitable for the large-scale genetic circuit or metabolic pathway library. Using long-read sequencing it was verified that the library was kept constant during assembly. With developed assembly method and High-throughput screening, the PET degradation metabolic pathway was optimized in E. coli. Finally, a brief review of the results introduced above, additional experiments, and points to be improved are written. The methods introduced in this study (DNA characterization, DNA assembly …) were developed to obtain genetic information represented by phenotype and genotype more quickly by improving existing methods. It will be used together with the advanced IT technologies such as machine learning, artificial intelligence technology to contribute to be development of advanced biotechnology that can design more complex genetic circuits and program life phenomena.
High-throughput part characterization technique for synthetic biology based genetic circuit design Recently, the advance of synthetic biology shows usability that goes beyond the limits of biology based on biological discovery and engineering-based cutting-edge technologies. At the center of synthetic biology is a genetic circuit, which use biological systems to implement functions did not exist in nature, to use biological systems as a device in engineering. It allows us to program biological phenomena by turning DNA fragments into DNA parts. However, there are many limitations in designing and building a genetic circuit compared to the broad scalability and usability. The limitations (low-reproducibility, low-throughput, and lack of DNA assembly technique) require a lot of experimentation and labor, and it also difficult to obtain high-quality data for biological systems. In this study, in order to design the optimal genetic circuit, we developed the techniques to characterize the DNA parts, a key component of the genetic circuit, with high-reproducibility, throughput and to assemble large-scale genetic circuit or metabolic pathway from scratch DNA parts. Chapter I introduces genetic circuits and the concept of DNA part, module and device that compose the circuits and the applications of genetic circuits in synthetic biology. And how characterized DNA parts affect the performance of genetic circuits and the optimal genetic circuit design methods using characterized DNA part will be introduced. Chapter II introduces the technology developed to characterize multiple DNA parts with high accuracy and throughput. The circuit assembly, phenotyping and genotyping for part characterization were greatly improved by using library assembly, fluorescence-based image analysis, barcode attached long-read sequencing technology, respectively. It was confirmed that this method had high accuracy and reproducibility compared to the existing method using expensive equipment, and a total of 44 parts were characterized within one week. Chapter III, the existing DNA assembly method was improved to be suitable for the large-scale genetic circuit or metabolic pathway library. Using long-read sequencing it was verified that the library was kept constant during assembly. With developed assembly method and High-throughput screening, the PET degradation metabolic pathway was optimized in E. coli. Finally, a brief review of the results introduced above, additional experiments, and points to be improved are written. The methods introduced in this study (DNA characterization, DNA assembly …) were developed to obtain genetic information represented by phenotype and genotype more quickly by improving existing methods. It will be used together with the advanced IT technologies such as machine learning, artificial intelligence technology to contribute to be development of advanced biotechnology that can design more complex genetic circuits and program life phenomena.
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