生物過程開發(fā)中的機(jī)器學(xué)習(xí)：從承諾到實(shí)踐（上）

目錄

01

在眾多候選菌株中進(jìn)行選擇：菌株工程和選擇

02

 提高和穩(wěn)定 TRY：生物工藝優(yōu)化

03

商業(yè)規(guī)模即將面臨的挑戰(zhàn)：生物工藝的擴(kuò)大

04

監(jiān)測(cè)和控制生物過程：PAT 中的 ML

 

名詞釋義

1.ML：Machine learning 機(jī)器學(xué)習(xí)

2.HTS：high-throughput screening 高通量篩選

3.DBTL：design-build-test-learn 設(shè)計(jì)-建造-測(cè)試-學(xué)習(xí)

4.COBRA：constraint-based modeling  基于約束的建模

5.FBA：Flux balance analysis 通量平衡分析

6.MOMA：minimization of metabolic adjustment 代謝調(diào)節(jié)最小化

7.MCS：minimal cut sets 最小割集

8.TRY：titers, rates, yields 生產(chǎn)滴度、速率和產(chǎn)量

9.SVM：support vector machine 支持向量機(jī)

10.GP：Gaussian processes 高斯過程

11.ANN：Artificial neural network 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

 

就實(shí)際應(yīng)用而言，機(jī)器學(xué)習(xí)（ML）已經(jīng)成為人工智能（AI）中最重要的學(xué)科。ML 處理的是學(xué)習(xí)基于數(shù)據(jù)解決某些任務(wù)的算法和程序，其中性能隨著經(jīng)驗(yàn) （即可用數(shù)據(jù)）的增加而增加。更準(zhǔn)確地說，ML 旨在找到合適的、主要是經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛠砻枋鰯?shù)據(jù)集，從標(biāo)記的樣本中學(xué)習(xí)或通過識(shí)別固有模式。當(dāng)有大量數(shù)據(jù)可用時(shí)和/或當(dāng)數(shù)據(jù)集過于復(fù)雜而無法通過預(yù)定義規(guī)則集進(jìn)行分析時(shí)，大量的 ML 方法尤其有用。ML 的其他應(yīng)用旨在尋找所謂的代理模型，其中 ML 模型被用作成本高昂或難以評(píng)估的機(jī)械模型的近似值。

近年來，生命科學(xué)已經(jīng)開始研究可用的 ML 方法，研究人員開始評(píng)估其中哪些方法適合應(yīng)對(duì)當(dāng)前的挑戰(zhàn)。因此，生物學(xué)和生物技術(shù)受到 ML 最新進(jìn)展的影響。這反映在許多綜述中，例如，ML 在蛋白質(zhì)功能預(yù)測(cè)、多組學(xué)數(shù)據(jù)分析、發(fā)育生物學(xué)、生物網(wǎng)絡(luò)分析、代謝工程和生物化學(xué)工程方面。

通常，從目標(biāo)分子到最終產(chǎn)品的生物技術(shù)管道包括四個(gè)基本階段：（1）目標(biāo)鑒定和分子設(shè)計(jì)，（2）生物催化劑設(shè)計(jì)，（3）生物過程開發(fā)，（4）工業(yè)規(guī) 模生產(chǎn)。

其中，生物技術(shù)生產(chǎn)管道的第三階段，即生物工藝開發(fā)，重點(diǎn)是通過菌株選擇、工藝優(yōu)化和擴(kuò)大規(guī)模來提高目標(biāo)分子的生產(chǎn)能力。在此階段，通常進(jìn)行高通量篩選 （HTS）實(shí)驗(yàn)來評(píng)估選定克隆的性能。此外，還需要從巨大的設(shè)計(jì)空間中確定最佳培養(yǎng)參數(shù)。然而，傳統(tǒng)的分析方法，如質(zhì)譜法，往往與實(shí)驗(yàn)速度不匹配，因此，分析隨后成為瓶頸。

然而這一瓶頸可以通過使用 ML 根據(jù)樣本的預(yù)測(cè)信息內(nèi)容對(duì)樣本進(jìn)行排序并相應(yīng)地安排其分析來解決，同時(shí)（高通量）平臺(tái)已經(jīng)可以執(zhí)行進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)。由于生物學(xué)和工藝參數(shù)是相關(guān)的，因此需要迭代實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)評(píng)估來反饋從篩選到菌株設(shè)計(jì)的信息和見解。這種方法反映在設(shè)計(jì)-建造-測(cè)試-學(xué)習(xí)（DBTL）周期中，該周期有時(shí)僅指合成生物學(xué)，但也可應(yīng)用于生物過程開發(fā)階段。在 DBTL 的背景下，所有步驟都可以通過 ML 進(jìn)行增強(qiáng)，特別是為下一輪實(shí)驗(yàn)提供信息設(shè)計(jì)。
 

本文將從以下四個(gè)主要議題展開論述： 

（1）菌株選擇和工程 

（2）生物工藝優(yōu)化 

（3）擴(kuò)大生物工藝 

（4）過程監(jiān)控 
 

01 PART

在眾多候選菌株中進(jìn)行選擇：菌株工程和選擇

生物工藝開發(fā)之前的一個(gè)核心步驟是選擇用于生產(chǎn)的生物催化劑或微生物。HTS 的現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)方法可以鑒定有效的生物催化劑（例如，通過菌株庫(kù)的定量表型）。因此，當(dāng)前的瓶頸是自動(dòng)數(shù)據(jù)處理和算法驅(qū)動(dòng)的決策，以選擇具有最高商業(yè)生產(chǎn)潛力的生物催化劑。

ML 的最新進(jìn)展提供了許多技術(shù)來促進(jìn)菌株的生物化學(xué)工程。作為一個(gè)主要挑戰(zhàn)，生物催化劑的多樣性導(dǎo)致了一系列可能的任務(wù)，例如，設(shè)計(jì)和選擇細(xì)菌生產(chǎn)菌株，預(yù)測(cè)不同無細(xì)胞系統(tǒng)中的生產(chǎn)，或工程哺乳動(dòng)物細(xì)胞系。后者帶來了許多額外的挑戰(zhàn)，如克隆變異，需要進(jìn)行大規(guī)模研究來產(chǎn)生機(jī)制理解，這是迄今為止非 ML 方法所需要的。
 

 

02 PART

 提高和穩(wěn)定 TRY：生物工藝優(yōu)化

在生物工藝開發(fā)和優(yōu)化過程中，實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的生物工藝通過確定培養(yǎng)的最佳物理化學(xué)參數(shù)來提高 TRY。在這種情況下，使用了不同的 ML 技術(shù)。

針對(duì)微生物和酶在極端溫度下的應(yīng)用，Li 等人開發(fā)了一個(gè)支持向量機(jī)（SVM）回歸模型，以最佳生長(zhǎng)溫度和氨基酸序列信息為輸入特征， 預(yù)測(cè)酶活性的最佳溫度。用于生物過程優(yōu)化的另一種常見的 ML 方法是 GP 回歸。使用案例包括優(yōu)化藻類中的色素生產(chǎn)和調(diào)節(jié)谷氨酸棒桿菌中蛋白質(zhì)生產(chǎn)的培養(yǎng)基組成。

最后，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Ann）經(jīng)常應(yīng)用于一系列應(yīng)用（例如，優(yōu)化小麥胚芽的培養(yǎng)基組成或藍(lán)藻中的色素生產(chǎn)）。其他研究?jī)?yōu)化發(fā)酵參數(shù)；例如， Pappu 等人研究了溫度、發(fā)酵時(shí)間、pH、kLa、生物量和甘油作為影響尼泊爾無核酵母中木糖醇生產(chǎn)的參數(shù)。Ebrahimpour 等人以生長(zhǎng)溫度、培養(yǎng)基體積、接種 物大小、攪拌速率、潛伏期和初始 pH 值為輸入變量，優(yōu)化了地桿菌菌株中熱穩(wěn)定脂肪酶的生產(chǎn)。最后，一些研究探討了培養(yǎng)基組成和發(fā)酵參數(shù)的復(fù)雜相互作用 （例如，在用釀酒酵母生產(chǎn)生物乙醇或用于治療的細(xì)胞系生長(zhǎng)中）。

針對(duì)不同生物過程之間的知識(shí)轉(zhuǎn)移，Rogers 等人通過轉(zhuǎn)移學(xué)習(xí)模擬了不同生物體在生物化學(xué)過程中的動(dòng)態(tài)行為，在這種情況下，通過部分保留不同 Ann 之間的層。Hutter 及其同事將 GP 回歸與遷移學(xué)習(xí)相結(jié)合，更準(zhǔn)確地說是嵌入向量，這是一種在自然語言處理中用于量化單詞之間相似性的技術(shù)。這兩種方法都顯示了如何使用歷史數(shù)據(jù)來預(yù)測(cè)新產(chǎn)品的動(dòng)力學(xué)，這有利于生物工藝優(yōu)化。

視頻和圖像數(shù)據(jù)（例如，細(xì)胞形態(tài)）是生物過程分析和控制的豐富信息來源。在這里，微流體系統(tǒng)與生命細(xì)胞成像相結(jié)合，開創(chuàng)了菌株 HTS 的圖像分析方法， 并提高了對(duì)生物過程相關(guān)培養(yǎng)條件下細(xì)胞行為的理解。深度學(xué)習(xí)技術(shù)非常適合以自動(dòng)化方式處理來自圖像的如此復(fù)雜的原始數(shù)據(jù)，從而為微流體輔助的高通量生物過程開發(fā)奠定基礎(chǔ)。最近的例子包括微流體單細(xì)胞培養(yǎng)和微流體液滴反應(yīng)器中的生長(zhǎng)和動(dòng)力學(xué)預(yù)測(cè)，其中多層 Ann 用于預(yù)測(cè)流聚焦液滴發(fā)生器的性能。

工藝優(yōu)化中的其他應(yīng)用包括使用微觀圖像數(shù)據(jù)對(duì)生物膜進(jìn)行時(shí)空分析和藻類培養(yǎng)。后者需要對(duì)光照條件和生長(zhǎng)模式進(jìn)行復(fù)雜的管理（例如，在培養(yǎng)過程中避免相互遮蔭）。在這里，Long 等人使用 SVM 回歸來預(yù)測(cè)顯微鏡圖像中的光分布模式，這提供了對(duì)生長(zhǎng)行為的深入了解，并可能最終有助于開發(fā)新的培養(yǎng)設(shè)計(jì)。

最后，看到了 ML 在化工自動(dòng)化流程圖合成中的進(jìn)展，例如，分層強(qiáng)化學(xué)習(xí)和圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)已被成功應(yīng)用。盡管尚未在生物工藝中得到證明，但這些技術(shù)在加速生物工藝發(fā)展方面具有巨大潛力。
 

未完待續(xù)

文章來源：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0167779922002815

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