迈向 DNA 纳米技术与工程生物学领域中基于足迹介导的链交换电路的互操作建模|北京沫之东生物技术有限公司

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摘要

最初为DNA纳米技术开发的趾端介导链交换（toehold-mediated strand exchange，TMSE）电路，凭借其高度可编程性、与生物组分的无缝整合能力，以及在多种环境和细胞类型中的稳健运行，正逐渐受到合成生物学领域的关注。然而，尽管合成生物学中的正向工程已受益于自动化遗传电路建模流程，目前仍缺乏易于获取的自动化工具，用于对与这些系统集成的TMSE电路进行机理建模，从而阻碍了新型生物技术的发展。TMSE-BioCRNpyler库允许将TMSE分子设定为经转录产生的RNA或固定浓度的核酸，同时利用BioCRNpyler现有的功能，例如上游转录调控和下游基因调控。我们通过对已发表的TMSE电路应用进行建模，展示了该库的适用性，其应用范围涵盖多种场景，包括简单的体外反应、无细胞生物传感器，以及体内微生物和哺乳动物系统。此外，我们验证了，使用TMSE-BioCRNpyler库编译的模型，与文献中此前建立的多个TMSE模型相比，所得结果的相对误差小于0.2%。最后，为简化与现有模型之间的互操作性，我们开发了txt2biocrnpyler。该配套工具可将文献中的化学反应网络转换为BioCRNpyler可直接使用的源代码脚本，以及系统生物学标记语言（Systems Biology Markup Language，SBML）XML文件；SBML是一种用于共享和模拟生物学模型的标准数据格式。TMSE-BioCRNpyler库为分子信息处理系统的理性化、自动化设计提供了一项强大的新资源。

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面向 DNA 纳米技术与工程生物学中趾端介导链交换电路的互操作建模

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Samuel W. Schaffter

doi：

https://doi.org/10.64898/2026.07.22.739222

Zoila Jurado

美国国家标准与技术研究院；

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趾端介导链交换（TMSE）电路最初为 DNA 纳米技术而开发，如今因其高度可编程性、与生物组分的无缝集成能力，以及在不同环境和细胞类型中的稳健运行，正日益受到合成生物学领域的关注。然而，尽管合成生物学中的正向工程已受益于自动化遗传电路建模流程，目前仍缺乏易于使用的自动化工具，用于对集成了……的 TMSE 电路进行机理建模。

这些系统的发展受到了阻碍，进而制约了新型生物技术的发展。TMSE-BioCRNpyler 库允许将 TMSE 分子表示为经转录产生的 RNA 或固定浓度的核酸，同时利用 BioCRNpyler 的现有功能，例如上游转录调控和下游基因调控。我们通过对已发表的 TMSE 电路应用进行建模，展示了该库的适用性；这些应用涵盖了广泛的场景，包括简单的体外反应、无细胞生物传感器，以及体内微生物和哺乳动物系统。此外，我们验证了，使用 TMSE-BioCRNpyler 库编译的模型，与文献中此前建立的多个 TMSE 模型相比，所得结果的相对误差小于 0.2%。最后，为简化与现有模型之间的互操作性，我们开发了 txt2biocrnpyler。该配套工具可将文献中的化学反应网络转换为 BioCRNpyler 可直接使用的源代码脚本以及系统生物学标记语言（Systems Biology Markup Language，SBML）XML 文件；SBML 是一种用于共享和模拟生物模型的标准数据格式。TMSE-BioCRNpyler 库为分子信息处理系统的理性化、自动化设计提供了强大的新资源。

利益冲突声明

SWS 是两项涉及 ctRSD 电路（申请号 PCT/US2022/053229）和 THE 核糖调节器（申请号 PCT/US25/13610）的专利申请的发明人。作者声明不存在其他利益冲突。

脚注

https://github.com/usnistgov/TMSE_BioCRNpyler_Library

https://github.com/usnistgov/txt2biocrnpyler

已声明的资助信息

国家研究委员会博士后奖学金

美国国家标准与技术研究院研究助理计划

版权

已授予 bioRxiv 永久展示该预印本的许可。

本文为美国政府作品。根据《美国法典》第17编第105条，不受版权保护；同时依据 CC0 许可提供使用。

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发表于 2026年7月23日。

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Zoila

Jurado

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Taghon

、

Samuel W.

Schaffter

bioRxiv

2026.07.22.739222；

doi：

https://doi.org/10.64898/2026.07.22.739222

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跨 DNA 纳米技术与工程生物学的趾端介导链交换电路互操作建模

Zoila

Jurado

、

Geoffrey

Taghon

、

Samuel W.

Schaffter

bioRxiv

2026.07.22.739222；

doi：

https://doi.org/10.64898/2026.07.22.739222

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关键词：趾端介导链交换 · DNA纳米技术 · 合成生物学 · 生化反应网络建模 · SBML模型互操作性

原文链接：https://www.biorxiv.org/content/10.64898/2026.07.22.739222v1?rss=1

来源出处

迈向 DNA 纳米技术与工程生物学领域中基于足迹介导的链交换电路的互操作建模 https://www.biorxiv.org/content/10.64898/2026.07.22.739222v1?rss=1