成果应用
基于反绎学习和基因知识库的基因表达预测的成果应用
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基于反绎学习和基因知识库的基因表达预测的成果应用
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EGOAL模型是为解决生命科学学院iGEM（国际基因工程机器大赛）2024项目研究过程中遇到的实际问题而设计，并在该项目中进行实际应用，成功辅助其项目对生物学湿实验进行改进，并成功解释了其实验中涉及的未知生物学机制。
生科院iGEM2024项目主要针对希瓦氏菌的无机磷代谢和生物电能产生两个过程进行研究，希望通过导入含不同基因的质粒、构建工程菌等合成生物学方法，提高希瓦氏菌聚集无机磷的能力和生物发电效率，以使其更好适应生活污水处理、能量循环利用等应用任务。
iGEM大赛是生命科学领域最大规模的国际学术竞赛之一，鼓励参赛学生以前沿方法促进合成生物学研究。EGOAL模型作为南京大学iGEM2024队伍参赛项目的一部分，在决赛获得国际金奖，并获赛道最佳（Village Best）奖提名。
EGOAL模型在生科院iGEM项目中的具体应用如下：
在生物学湿实验中，研究者发现希瓦氏菌的无机磷代谢和生物发电之间存在如下关系：当无机磷浓度较低时，该菌电子转运和发电效率与磷浓度呈正相关；磷浓度达到一定阈值后，这一关系显著变为负相关。
我们通过EGOAL模型，预测希瓦氏菌发电效率和聚磷能力同时升高时涉及的基因，发现NAD kinase, PPX, PAP等涉及磷代谢的水解酶基因的表达具有显著性。生物学研究者结合进一步理论分析，选取NAD kinase等基因，构建无机磷水解酶共表达工程菌株，成功同时大幅提高工程菌的聚磷能力和生物电池输出功率。
EGOAL模型的预测结果及相关生物学实验结果如下：
对于导入上述无机磷水解酶的工程菌，研究者尚不清楚其同时促进磷代谢和产电的生物学机制。为此，我们通过EGOAL模型预测工程菌在这一过程中的基因表达和调控通路，为实验结果及其生物学机制提供理论解释。
在EGOAL模型预测结果中，注意到一些已有研究证明和希瓦氏菌产电有关的基因，说明工程菌导入的磷水解酶可能通过这些基因促进产电。EGOAL模型预测结果中， crp基因的表达在导入PPK1和PPK2水解酶的工程菌中发生变化， pflB基因和mdh族基因表达在导入NAD kinase, PAP, PPK1, PPK2, PPX水解酶的工程菌中均发生变化。同时考虑与该机制无关的GAPDH水解酶，输入“对工程菌导入GAPDH基因的实验”作为参考对照，上述基因预测结果则无显著性。
已有研究证明crp基因、pflB基因和mdh族基因在希瓦氏菌产电过程中的作用[15]，且分别影响乳酸代谢、NADH合成和跨膜电子转运。由于乳酸为实验中希瓦氏菌的主要碳源，由预测结果可以得出磷水解酶通过如下机制促进产电：
1. 提高工程菌的碳源代谢，以此促进其能量利用；
2. 影响NAD+向NADH的合成。
通路（Pathways）指将生物过程表示为多个更简单过程级联的形式，是从系统生物学角度对一个生物过程的形式化描述，是生命科学领域的重要研究对象。
对于一个生物学机制，通路是其最直接的呈现方式和研究手段。基于基因的调控通路，研究者不仅能理解该生物过程的原理和机制，也可以通过控制系统建模等方式进行模拟、采用合成生物学手段进行调控和干预，以达到预期研究成果。
EGOAL模型将机器学习与符号推理结合，具有高度可解释性。对于反绎学习训练得到的模型，最小化不一致性和伪标签修正过程中符合的逻辑规则，即可视为其一种内部表示。上述规则的物理意义，即生物系统中的基因调控关系。
因此，对一个生物学实验，当模型预测得到其涉及的基因时，从模型的内部表示，即可得知这些基因之间的调控关系，便于构建基因调控通路，以更深入地表示和分析其中涉及的生物学机制。
