Missouri Western State University & Davidson...

Missouri Western State University & Davidson College 

Human Prac*ces 

Two Synthe*c Biology Surveys 1.  Faculty (high school & college/university) 

– Familiarity and knowledge 

– Currently teaching? – What support do you need? 

2.  General public – Create vs. Construct introduc*ons – Opinion of synthe*c biology – Should it be taught in schools?  

Faculty Survey Results High School  College/University 

•  289 total responses 

•  Avg. teaching 15.5 years 

•  88% teach at public schools 

•  6% self‐assessed knowledgeable 

•  0.7% deep knowledge 

•  3.5% teaching it 

•  1.4% on tests 

•  192 total responses 

•  Avg. teaching 14.5 year 

•  65% teach at public schools 

•  12% self‐assessed knowledgeable 

•  7% deep knowledge 

•  6% teaching it 

•  3% on tests 

Faculty Survey Results High School 

•  289 total responses 

•  Avg. teaching 15.5 years 

•  88% teach at public schools 

•  6% self‐assessed knowledgeable 

•  0.7% deep knowledge 

•  3.5% teaching it 

•  1.4% on tests 

•  192 total responses 

•  Avg. teaching 14.5 year 

•  65% teach at public schools 

•  12% self‐assessed knowledgeable 

•  7% deep knowledge 

•  6% teaching it 

•  3% on tests 

College/University 

General Public Survey Results 

Synthe*c biology uses molecular methods to create modified living organisms…. 

Synthe*c biology uses molecular methods to construct DNA‐based devices…. 

Measured “religiosity” for each person 

General Public Survey Results 

Create  

        Percep*on Scores for Each Manipula*on Percep

*on of synthe*

c biology 

Construct 

p < 0.008 

+/‐ 95% conf. 

General Public Survey Results 

high religiosity 

      Create  Manipula*on 

   Construct Manipula*on 

Interac*on of Manipula*on and Religiosity Favorability towards synthe*

c biology 

low religiosity 

Defining  the  

Sa*sfiability Problem  

The SAT Problem 

The SAT Problem 

The SAT Problem 

The SAT Problem 

The SAT Problem 

Some “Key” Terms 

Variable  Clause 

Input 

Literal 

Mathema*cal Transla*on 

(G or B) and (G or b) and (G or  ) and (g or  ) 

What is the maximum number of clauses sa*sfied by any input? 

Is there an input that sa*sfies all clauses? 

SAT 

Max SAT 

History and Significance 

NP Complete Problems 

SAT (1971)

Hamiltonian Path Problem

Pancake Problem

Traveling Salesperson

Knapsack Problem

Optimal Linear

Arrangement

Minesweeper

Chromatic Number

0-1 Integer Programming

Applica*ons 

•  Electronics (e.g., equivalence checking) •  Ar*ficial Intelligence (robot planning) •  Bioinforma*cs (Haplotype inference) 

Science Vol 288 19 May 2000 

DNA Compu*ng Approach 

Classifying SAT Problems 

Coarse Distribu*ons 

Fine Distribu*ons 

doubledouble

0 1 1 double single

2 0 2 single single

2 3 1

Exactly 2 of 3 clauses sa*sfied, but differently  

Biological Implementa*on 

Central Dogma 

DNA  

mRNA  

Protein  

aug ccc uac uca cua ccu aua ccg cau  

M   P   Y    S    H    P    I    P    H  

transla*on 

atgccctactcactacctatagcgcat  

transcrip*on 

Frameshii Muta*on 

DNA  

mRNA  

Protein  

aug ccc uac uca cua ccu aua ccg cau  

M   P   Y    S    H    P    I    P    H  

transcrip*on 

transla*on 

atgccctactcactacctatagcgcat  DNA  

mRNA  

Protein  

aug ccc UCu acu cac uac cua uac cgc au  

atgcccTCtactcactacctatagcgcat  

M   P   S     T    H    Y   H    Y   R  

Frameshii Suppression 

DNA  

mRNA  

Protein  

aug ccc uac uca cua ccu aua ccg cau  

M   P   Y    S    H    P    I    P    H  

atgccctactcactacctatagcgcat  DNA  

Protein  

aug cccUC uac uca cua ccu aua ccg cau  

atgcccTCtactcactacctatagcgcat  

M     S       Y    S    H    P    I    P   H  

        5 base  suppressor tRNA 

Physical Model of Suppressor tRNA 

Milwaukee School of Engineering Center for Biomolecular Modeling 

Custom Designed Educa*onal Tool 

Coding 2‐SAT Logical Clause 

   11 base pairs 

ATG + 5 bp + 1 bp + 5 bp 

ATG NNNNN g NNNNN 

1 logical clause 

ATG NNNNN gNN NNN 

ATG NNN NNg NNNNN 

ATG NNN NNg NNN 

Coding 2‐SAT Logical Clause 

sa*sfied 

ATG NNNNN gNN NNN 

ATG NNN NNg NNNNN 

ATG NNN NNg NNN 

Coding 2‐SAT Logical Clause 

sa*sfied 

sa*sfied 

OR 

ATG NNNNN gNN NNN 

ATG NNN NNg NNNNN 

ATG NNN NNg NNN 

Coding 2‐SAT Logical Clause 

sa*sfied 

sa*sfied 

OR 

no sa*sfac*on 

In frame if, and only if,  exactly 2 clauses sa*sfied. 

Coding Mul*ple 2‐SAT Logical Clauses 

11 bp 

ATG LC1 LC2 gg LC2 LC3 gg LC3 LC4 

3 + (6 x 11) + 2 + 2 = 73 bp  

Coding Mul*ple 2‐SAT Logical Clauses 

✓  ✓ ATG LC1 LC2 gg LC2 LC3 gg LC3 LC4  sa*sfied 

Coding Mul*ple 2‐SAT Logical Clauses 

✓  ✓ 

✓  ✓ ATG LC1 LC2 gg LC2 LC3 gg LC3 LC4  sa*sfied 

ATG LC1 LC2 gg LC2 LC3 gg LC3 LC4  sa*sfied 

Coding Mul*ple 2‐SAT Logical Clauses 

✓  ✓ 

✓  ✓ 

✓ 

ATG LC1 LC2 gg LC2 LC3 gg LC3 LC4  sa*sfied 

ATG LC1 LC2 gg LC2 LC3 gg LC3 LC4  sa*sfied 

ATG LC1 LC2 gg LC2 LC3 gg LC3 LC4  not sa*sfied 

Coding Mul*ple 2‐SAT Logical Clauses 

✓  ✓ 

✓  ✓ 

✓ 

ATG LC1 LC2 gg LC2 LC3 gg LC3 LC4  sa*sfied 

ATG LC1 LC2 gg LC2 LC3 gg LC3 LC4  sa*sfied 

ATG LC1 LC2 gg LC2 LC3 gg LC3 LC4  not sa*sfied 

ATG LC1 LC2 gg LC2 LC3 gg LC3 LC4  not sa*sfied 

Constructed Eleven 5 base tRNAs 

Anderson et al., 2002. Chemistry & Biology. 9: 237‐244 

New Registry Parts 

Constructed Eleven Frameshii Reporters 

CCCTC 

New Registry Parts 

55 115 

816 

497 

823 

393 

271 

64 

514 588 

133 81 

0 

100 

200 

300 

400 

500 

600 

700 

800 

900 

Occurrences of 5mers in Genome 

Choice of Promoters 

0 

20 

40 

60 

80 

100 

120 

140 

Normalized

 RFP Fluorescence 

Choice of Promoters 

0 

20 

40 

60 

80 

100 

120 

140 

Normalized

 RFP Fluorescence 

Characterized Exis*ng Part 

prone to spontaneous inser*ons 

Suppressor tRNA Test Module v1.0 CCCTC 

Suppressor tRNA Test Module v1.0 CCCTC 

Biological Engineering Best Prac*ce 

Construct 

Design 

Test 

Redesign 

Suppressor tRNA Test Module v2.0 CCCTC 

pTet 

Suppressor tRNA Test Module v2.0 CCCTC 

pTet 

Constructs % suppression Us Anderson

pBad-CCACU-pLac-RBS-CCACU-RFP 0.41 7.4

pTet-CCACU-pLac-RBS-CCACU-RFP 1.39 7.4

pLac-RBS-CCACU-RFP-pTet-CCACU 1.94 7.4

pBad-CGGUC-pLac-RBS-CGGUC-RFP 0.21 4.5

pTet-CGGUC-pLac-RBS-CGGUC-RFP 0.39 4.5

pLac-RBS-CGGUC-RFP-pTet-CGGUC 0.79 4.5

pBad-CCCUC-pLac-RBS-CCCUC-RFP 0.30 3.8

pTet-CCCUC-pLac-RBS-CCCUC-RFP 0.37 3.8

pLac-RBS-CCCUC-RFP-pTet-CCCUC 0.36 3.8

pBad-CCAUC-pLac-RBS-CCAUC-RFP 0.27 5.6

pBad-CUAGU-pLac-RBS-CUAGU-RFP 0.33 12.0

Amount of tRNA is Cri*cal 

Suppressor tRNA Test Module v3.0 

Constructs % suppression Us Anderson

pLac-RBS-CCACC-RFP-CCACC_tRNA 1.3 1.6

pLac-RBS-CCACC-RFP-CCAAU_tRNA 1.0 4.4

pLac-RBS-CCACC-RFP-CUACC_tRNA 0.9 7.4

CCACC 

Automa*on Scale for Compu*ng  

Human ParPcipaPon 

Bacterial ParPcipaPon 

Total Com

pu*n

g 

Automa*on Level 

One Literal per Clone 

Lite

ral 1

Li

tera

l 2

a 

a 

a 

b 

b 

b 

a OR b  a OR b’  b OR c’  a’ OR c 

a 

a a 

b’ 

b’ 

b’ 

b 

b 

b 

c’ 

c’ 

c’ 

a’ 

a’ 

a’ 

c 

c 

c 

a’ 

b 

c’ 

One Clause per Clone 

a’ 

b 

c’ 

a OR b  a OR b’  b OR c’  a’ OR c 

Solu*on to Max Sat = # of columns with posi*ve report 

Mul*ple Clauses per Clone 

a’ 

b 

c’ 

Exactly 1  Exactly 2  Exactly 3  Exactly 4 

(a OR b) AND (a OR b’) AND (b OR c’) AND (a’ OR c) 

Solu*on to Max Sat 

Max SAT in Popula*on 

a’ 

b 

c’ 

(a OR b) AND (a OR b’) AND (b OR c’) AND (a’ OR c) 

Solu*on to Max Sat = Number of different reporters expressed 

Max SAT in Each Clone 

a’ 

b 

c’ 

(a OR b) AND (a OR b’) AND (b OR c’) AND (a’ OR c) 

Solu*on to Max Sat = Number of different reporters expressed 

Bacterial Automa*on Scale 

a’  b  c’ 

(a OR b) AND (a OR b’) AND (b OR c’) AND (a’ OR c) 

Automa*on Level 

Acknowledgements  •  Chris Anderson UC Berkeley •  Tim Herman and MSOE CBM •  Kyri Bye‐Nagel Davidson College •  Funding from 

– NSF DMS 0733952 and 0733955 – HHMI grant #52006292 – Davidson DRI and Mar*n Genomics Program – Missouri Western Founda*on and Office of Academic and Student Affairs 

Missouri Western State University & Davidson College 

Exactly 2 out of 4 clauses sa*sfied 

aug VVVVV gVV VVV XXX XXg XXX XXg gXX XXX gXX XXX YYYYY gYY YYY ggY YYY YgY YYY YZZ ZZZ gZZ ZZZ 

aug VVVVV gVV VVV XXXXX gXX XXX ggX XXX XgX XXX XYY YYY gYY YYY ggY YYY YgY YYY YZZ ZZZ gZZ ZZZ

aug VVVVV gVV VVV XXX XXg XXX XXg gXX XXX gXX XXX YYY YYg YYY YYg gYY YYY gYY YYY ZZZZZ gZZ ZZZ 

1 and 2 

1 and 3 

1 and 4