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虽然自然现象往往看起来很复杂,因此很难预测,但在这两者之间 看似混乱的事件,可能会有令人惊叹的美丽图案和形式的时刻。在某些情况下 从某种意义上说,合成生物学是关于识别和复制这些模式的,而数学是关于 描述和理解它们形成背后的机制。尽管空间模式是 在生物体中普遍存在,识别潜在机制的任务可能令人望而生畏,因为 活细胞和生物体的极其复杂。事实上,对自然模式的研究可以追溯到 追溯到过去的许多个世纪。在这项提案中,该团队建议将基因电路工程和 数学分析促进我们对基于反应-扩散(RD)的生物模式的理解 队形。具体地说,团队希望在拟议的 研究:目标1,实验和数学表征基于RD的细胞图案形成 由合理设计的基因电路驱动。目的2,调查营养限制对模式的影响 队形。目标3,相互作用种群的模式形成的工程和测试。 具体地说,该团队建议设计一套基因电路来引导细菌细胞形成自组织 没有预定义空间线索的图案。网络拓扑、非线性、基因的作用 表达随机性和环境信号对观察到的空间结构的贡献 我们将研究这些模式。为此,这个跨学科团队计划机械地制定一个 一系列合理的RD模型,精确地描述了基因调控、蛋白质生产、法定人数 传感和由合成电路驱动的色散。此外,该团队计划开发出适当的 基于单细胞琼脂糖垫平台的实验、计算和数学工具 将使我们能够定量地和实验地探索空间模式的基本机制 在分子、单细胞和菌落尺度上形成。
英文摘要
While natural phenomena may often appear to be complex and hence difficult to predict, in between those seemingly chaotic events, there can be moments of strikingly beautiful patterns and forms. In certain sense, synthetic biology is about identifying and reproducing these patterns and mathematics is about describing and understanding the mechanisms behind their formations. Although spatial patterns are ubiquitous in living organisms, the task of identifying the underlying mechanisms can be daunting due to the overwhelming complexity of living cells and organisms. Indeed, the study of natural patterns dates back to many centuries in the past. In this proposal, the team proposes to combine gene circuit engineering and mathematical analysis to advance our understanding of reaction-diffusion (RD) based biological pattern formation. Specifically, there are three main objectives the team hopes to achieve in the proposed research: Aim 1, Experimentally and mathematically characterize RD based cellular pattern formation driven by rationally designed gene circuits. Aim 2, Investigate implications of nutrient limitation on pattern formation. Aim 3, Engineering and testing of pattern formation of interacting populations. Specifically, the team proposes to engineer a set of gene circuits to direct bacterial cells to form self-organized patterns without predefined spatial cues. The role of network topology, nonlinearity, gene expression stochasticity, and environmental signals in contributions to observed spatially structured patterns will be examined. To this end, this interdisciplinary team plans to mechanistically formulate a series of plausible RD models that accurately describe gene regulation, protein production, quorum sensing, and dispersion driven by synthetic circuits. Moreover, the team plans to develop appropriate experimental, computational, and mathematical tools based on the single-cell agarose pad platform that shall allow us to quantitatively and experimentally probe the fundamental mechanisms of spatial patterns formation across molecular, single-cell, and colony scales.
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会议论文
Patient-specific parameter estimates of glioblastoma multiforme growth dynamics from a model with explicit birth and death rates.
根据具有明确出生率和死亡率的模型对多形性胶质母细胞瘤生长动力学进行患者特异性参数估计。
DOI: 10.3934/mbe.2019265
发表时间: 2019
期刊: Mathematical biosciences and engineering : MBE
影响因子: --
作者: [Han,LiFeng, Eikenberry,Steffen, He,ChangHan, Johnson,Lauren, Preul,MarkC, Kostelich,EricJ, Kuang,Yang]
通讯作者: Kuang,Yang
DOI: 10.1021/acssynbio.1c00041
发表时间: 2021-04-29
期刊: ACS SYNTHETIC BIOLOGY
影响因子: 4.7
作者: [Melendez-Alvarez, Juan, He, Changhan, Tian, Xiao-Jun]
通讯作者: Tian, Xiao-Jun
DOI: 10.3934/mbe.2022256
发表时间: 2022-03
期刊: Mathematical biosciences and engineering : MBE
影响因子: --
作者: [Duane C. Harris;G. Mignucci-Jiménez;Yuan Xu;S. Eikenberry;C. Quarles;M. Preul;Y. Kuang;E. Kostelich]
通讯作者: Duane C. Harris;G. Mignucci-Jiménez;Yuan Xu;S. Eikenberry;C. Quarles;M. Preul;Y. Kuang;E. Kostelich
DOI: 10.1109/lcsys.2020.3046612
发表时间: 2021-12
期刊: IEEE control systems letters
影响因子: 3
作者: [He C, Bayakhmetov S, Harris D, Kuang Y, Wang X]
通讯作者: Wang X
共 10 条
    Predictive Modeling of Pattern Formation Driven by Synthetic Gene Networks
    国内基金
    海外基金
    患者依从性与脑卒中后跌倒风险相关性及“Teach-Back ”护理干预效应研究
    • 批准号:
      2026JJ81464
    • 项目类别:
      省市级项目
    • 资助金额:
      --
    • 批准年份:
      2026
    • 负责人:
      叶婷
    • 依托单位:
    基于Teach-back药学科普模式的慢阻肺患者吸入用药依从性及疗效研究
    • 批准号:
      2024KP61
    • 项目类别:
      省市级项目
    • 资助金额:
      --
    • 批准年份:
      2024
    • 负责人:
      余丹
    • 依托单位:
    离散型超导磁体的加热线诱发Quench-Back效应及调控技术研究
    • 批准号:
      12405188
    • 项目类别:
      青年科学基金项目
    • 资助金额:
      30.00万元
    • 批准年份:
      2024
    • 负责人:
      童玉锦
    • 依托单位:
    基于Quench-Back保护的超导螺线管磁体失超过程数值模拟研究
    • 批准号:
      51307073
    • 项目类别:
      青年科学基金项目
    • 资助金额:
      25.0万元
    • 批准年份:
      2013
    • 负责人:
      郭兴龙
    • 依托单位: