Team:OUC-China/miniToe

Team OUC-China: Main

Design

Reactions


We can describe our miniToe system to be followings:
\[\rightarrow [๐‘๐‘Ÿ๐‘…๐‘๐ด โˆ’ ๐‘…๐ต๐‘† โˆ’ ๐‘š๐‘…๐‘๐ด_{๐‘”๐‘“๐‘}]\] \[\rightarrow [๐‘š๐‘…๐‘๐ด_{Csy4}]\] \[[๐‘š๐‘…๐‘๐ด_{๐ถ๐‘ ๐‘ฆ4}]\rightarrow [๐‘š๐‘…๐‘๐ด_{๐ถ๐‘ ๐‘ฆ4}] + [๐‘ƒ๐‘Ÿ๐‘œ๐‘ก๐‘’๐‘–๐‘›_{๐ถ๐‘ ๐‘ฆ4}]\] \[[Protein_{๐ถ๐‘ ๐‘ฆ4}]+[crRNA-RBS-mRNA_{gfp}]\leftrightarrow [๐‘ƒ๐‘Ÿ๐‘œ๐‘ก๐‘’๐‘–๐‘›_{๐ถ๐‘ ๐‘ฆ4}-crRNA-RBS-๐‘š๐‘…๐‘๐ด_{๐‘”๐‘“๐‘}]\] \[[Protein_{๐ถ๐‘ ๐‘ฆ4}-crRNA-RBS-mRNA_{gfp}]\rightarrow [๐‘š๐‘…๐‘๐ด_{gfp}] + [๐‘ƒ๐‘Ÿ๐‘œ๐‘ก๐‘’๐‘–๐‘›_{๐ถ๐‘ ๐‘ฆ4}-๐‘๐‘Ÿ๐‘…๐‘๐ด]\] \[[๐‘š๐‘…๐‘๐ด_{gfp}]\rightarrow [๐‘š๐‘…๐‘๐ด_{gfp}] + [๐‘ƒ๐‘Ÿ๐‘œ๐‘ก๐‘’๐‘–๐‘›_{gfp}]\] \[[crRNA-RBS-mRNA_{gfp}]\rightarrow \emptyset\] \[[๐‘š๐‘…๐‘๐ด_{๐ถ๐‘ ๐‘ฆ4}]\rightarrow \emptyset\] \[[๐‘ƒ๐‘Ÿ๐‘œ๐‘ก๐‘’๐‘–๐‘›_{๐ถ๐‘ ๐‘ฆ4}]\rightarrow \emptyset\] \[[Protein_{๐ถ๐‘ ๐‘ฆ4}-crRNA-RBS-mRNA_{gfp}]\rightarrow \emptyset\] \[[๐‘š๐‘…๐‘๐ด_{gfp}]\rightarrow \emptyset\] \[[๐‘ƒ๐‘Ÿ๐‘œ๐‘ก๐‘’๐‘–๐‘›_{๐ถ๐‘ ๐‘ฆ4}-๐‘๐‘Ÿ๐‘…๐‘๐ด]\rightarrow \emptyset\] \[[๐‘ƒ๐‘Ÿ๐‘œ๐‘ก๐‘’๐‘–๐‘›_{gfp}]\rightarrow \emptyset\]

Two equations, describing the functional binding and cleavage of Csy4 protein in biology, and three parameters,๐‘˜on ,๐‘˜off ,๐‘˜obs , describing the same things in mathematics, are the core of our model.

ODEs


To simulate the dynamics of GFP, we use ordinary differential equations to model the reactions above. And ODEs are given as follows:
\[\frac{d[๐‘๐‘Ÿ๐‘…๐‘๐ด โˆ’ ๐‘…๐ต๐‘† โˆ’ ๐‘š๐‘…๐‘๐ด_{๐‘”๐‘“๐‘}]}{dt}=๐‘˜_{1}-๐‘˜_{d1}[๐‘๐‘Ÿ๐‘…๐‘๐ด โˆ’ ๐‘…๐ต๐‘† โˆ’ ๐‘š๐‘…๐‘๐ด_{๐‘”๐‘“๐‘}]\] \[-๐‘˜_{on}[Protein_{๐ถ๐‘ ๐‘ฆ4}][๐‘๐‘Ÿ๐‘…๐‘๐ด โˆ’ ๐‘…๐ต๐‘† โˆ’ ๐‘š๐‘…๐‘๐ด_{๐‘”๐‘“๐‘}]\] \[+๐‘˜_{off}[Protein_{๐ถ๐‘ ๐‘ฆ4}-๐‘๐‘Ÿ๐‘…๐‘๐ด โˆ’ ๐‘…๐ต๐‘† โˆ’ ๐‘š๐‘…๐‘๐ด_{๐‘”๐‘“๐‘}]\] \[\frac{d[๐‘š๐‘…๐‘๐ด_{๐ถ๐‘ ๐‘ฆ4}]}{dt}=๐‘˜_{2}-๐‘˜_{d2}[๐‘š๐‘…๐‘๐ด_{๐ถ๐‘ ๐‘ฆ4}]\] \[\frac{d[Protein_{๐ถ๐‘ ๐‘ฆ4}]}{dt}=๐‘˜_{p2}[๐‘š๐‘…๐‘๐ด_{๐ถ๐‘ ๐‘ฆ4}]-๐‘˜_{dp2}[Protein_{๐ถ๐‘ ๐‘ฆ4}]\] \[-๐‘˜_{on}[Protein_{๐ถ๐‘ ๐‘ฆ4}][๐‘๐‘Ÿ๐‘…๐‘๐ด โˆ’ ๐‘…๐ต๐‘† โˆ’ ๐‘š๐‘…๐‘๐ด_{๐‘”๐‘“๐‘}]\] \[+๐‘˜_{off}[Protein_{๐ถ๐‘ ๐‘ฆ4}-๐‘๐‘Ÿ๐‘…๐‘๐ด โˆ’ ๐‘…๐ต๐‘† โˆ’ ๐‘š๐‘…๐‘๐ด_{๐‘”๐‘“๐‘}]\] \[\frac{d[๐‘ƒ๐‘Ÿ๐‘œ๐‘ก๐‘’๐‘–๐‘›_{๐ถ๐‘ ๐‘ฆ4}-crRNA-RBS-๐‘š๐‘…๐‘๐ด_{๐‘”๐‘“๐‘}]}{dt}=๐‘˜_{on}[Protein_{๐ถ๐‘ ๐‘ฆ4}][๐‘๐‘Ÿ๐‘…๐‘๐ด โˆ’ ๐‘…๐ต๐‘† โˆ’ ๐‘š๐‘…๐‘๐ด_{๐‘”๐‘“๐‘}]\] \[-๐‘˜_{of}[Protein_{๐ถ๐‘ ๐‘ฆ4}][Protein_{๐ถ๐‘ ๐‘ฆ4}-crRNA-RBS-mRNA_{gfp}]\] \[-๐‘˜_{d1}[Protein_{๐ถ๐‘ ๐‘ฆ4}][Protein_{๐ถ๐‘ ๐‘ฆ4}-crRNA-RBS-mRNA_{gfp}]\] \[-๐‘˜_{obs}[Protein_{๐ถ๐‘ ๐‘ฆ4}][Protein_{๐ถ๐‘ ๐‘ฆ4}-crRNA-RBS-mRNA_{gfp}]\] \[\frac{d[๐‘š๐‘…๐‘๐ด_{๐‘”๐‘“๐‘}]}{dt}=๐‘˜_{obs}[๐‘ƒ๐‘Ÿ๐‘œ๐‘ก๐‘’๐‘–๐‘›_{๐ถ๐‘ ๐‘ฆ4}-crRNA-RBS-๐‘š๐‘…๐‘๐ด_{๐‘”๐‘“๐‘}]-๐‘˜_{d3}[๐‘š๐‘…๐‘๐ด_{gfp}]\] \[\frac{d[๐‘ƒ๐‘Ÿ๐‘œ๐‘ก๐‘’๐‘–๐‘›_{๐ถ๐‘ ๐‘ฆ4}-crRNA]}{dt}=๐‘˜_{obs}[๐‘ƒ๐‘Ÿ๐‘œ๐‘ก๐‘’๐‘–๐‘›_{๐ถ๐‘ ๐‘ฆ4}-crRNA-RBS-๐‘š๐‘…๐‘๐ด_{๐‘”๐‘“๐‘}]-๐‘˜_{dc2}[๐‘ƒ๐‘Ÿ๐‘œ๐‘ก๐‘’๐‘–๐‘›_{๐ถ๐‘ ๐‘ฆ4}-๐‘๐‘Ÿ๐‘…๐‘๐ด]\] \[-๐‘˜_{on}[Protein_{๐ถ๐‘ ๐‘ฆ4}][๐‘๐‘Ÿ๐‘…๐‘๐ด โˆ’ ๐‘…๐ต๐‘† โˆ’ ๐‘š๐‘…๐‘๐ด_{๐‘”๐‘“๐‘}]\] \[+๐‘˜_{off}[Protein_{๐ถ๐‘ ๐‘ฆ4}-๐‘๐‘Ÿ๐‘…๐‘๐ด โˆ’ ๐‘…๐ต๐‘† โˆ’ ๐‘š๐‘…๐‘๐ด_{๐‘”๐‘“๐‘}]\] \[\frac{d[Protein_{gfp}]}{dt}=๐‘˜_{p1}[๐‘š๐‘…๐‘๐ด_{๐‘”๐‘“๐‘}]-๐‘˜_{dp1}[Protein_{gfp}]\]

For the readability, the complex symbol is simplified as:
\[\frac{d[A]}{dt}=๐‘˜_{1}-๐‘˜_{d1}[A]-๐‘˜_{on}[C][A]+๐‘˜_{off}[D]\] \[\frac{d[B]}{dt}=๐‘˜_{2}-๐‘˜_{d2}[B]\] \[\frac{d[C]}{dt}=๐‘˜_{p2}[B]-๐‘˜_{dp2}[C]-๐‘˜_{on}[C][A]+๐‘˜_{off}[D]\] \[\frac{d[D]}{dt}=๐‘˜_{on}[C][A]-๐‘˜_{dp2}[C]-๐‘˜_{off}[D]-๐‘˜_{dc1}[D]-๐‘˜_{obs}[D]\] \[\frac{d[E]}{dt}=๐‘˜_{obs}[D]-๐‘˜_{d3}[E]\] \[\frac{d[F]}{dt}=๐‘˜_{obs}[D]-๐‘˜_{d3}[F]\] \[\frac{d[G]}{dt}=๐‘˜_{p1}[E]-๐‘˜_{dp1}[G]\]

Data Processing


The leak in the experiment is an big problem in estimating parameters in our ODEs model, so we processing the data by following formula๏ผ› \[Data(without leak)=Data(+IPTG)-Data(-IPTG)\]
\[\frac{d[๐‘๐‘Ÿ๐‘…๐‘๐ด โˆ’ ๐‘…๐ต๐‘† โˆ’ ๐‘š๐‘…๐‘๐ด_{๐‘”๐‘“๐‘}]}{dt}=๐‘˜_{1}-๐‘˜_{d1}[๐‘๐‘Ÿ๐‘…๐‘๐ด โˆ’ ๐‘…๐ต๐‘† โˆ’ ๐‘š๐‘…๐‘๐ด_{๐‘”๐‘“๐‘}]\] \[-๐‘˜_{on}[Protein_{๐ถ๐‘ ๐‘ฆ4}][๐‘๐‘Ÿ๐‘…๐‘๐ด โˆ’ ๐‘…๐ต๐‘† โˆ’ ๐‘š๐‘…๐‘๐ด_{๐‘”๐‘“๐‘}]\] \[+๐‘˜_{off}[Protein_{๐ถ๐‘ ๐‘ฆ4}-๐‘๐‘Ÿ๐‘…๐‘๐ด โˆ’ ๐‘…๐ต๐‘† โˆ’ ๐‘š๐‘…๐‘๐ด_{๐‘”๐‘“๐‘}]\] \[\frac{d[๐‘š๐‘…๐‘๐ด_{๐ถ๐‘ ๐‘ฆ4}]}{dt}=๐‘˜_{2}-๐‘˜_{d2}[๐‘š๐‘…๐‘๐ด_{๐ถ๐‘ ๐‘ฆ4}]\] \[\frac{d[Protein_{๐ถ๐‘ ๐‘ฆ4}]}{dt}=๐‘˜_{p2}[๐‘š๐‘…๐‘๐ด_{๐ถ๐‘ ๐‘ฆ4}]-๐‘˜_{dp2}[Protein_{๐ถ๐‘ ๐‘ฆ4}]\] \[-๐‘˜_{on}[Protein_{๐ถ๐‘ ๐‘ฆ4}][๐‘๐‘Ÿ๐‘…๐‘๐ด โˆ’ ๐‘…๐ต๐‘† โˆ’ ๐‘š๐‘…๐‘๐ด_{๐‘”๐‘“๐‘}]\] \[+๐‘˜_{off}[Protein_{๐ถ๐‘ ๐‘ฆ4}-๐‘๐‘Ÿ๐‘…๐‘๐ด โˆ’ ๐‘…๐ต๐‘† โˆ’ ๐‘š๐‘…๐‘๐ด_{๐‘”๐‘“๐‘}]\] \[\frac{d[๐‘ƒ๐‘Ÿ๐‘œ๐‘ก๐‘’๐‘–๐‘›_{๐ถ๐‘ ๐‘ฆ4}-crRNA-RBS-๐‘š๐‘…๐‘๐ด_{๐‘”๐‘“๐‘}]}{dt}=๐‘˜_{on}[Protein_{๐ถ๐‘ ๐‘ฆ4}][๐‘๐‘Ÿ๐‘…๐‘๐ด โˆ’ ๐‘…๐ต๐‘† โˆ’ ๐‘š๐‘…๐‘๐ด_{๐‘”๐‘“๐‘}]\] \[-๐‘˜_{of}[Protein_{๐ถ๐‘ ๐‘ฆ4}][Protein_{๐ถ๐‘ ๐‘ฆ4}-crRNA-RBS-mRNA_{gfp}]\] \[-๐‘˜_{d1}[Protein_{๐ถ๐‘ ๐‘ฆ4}][Protein_{๐ถ๐‘ ๐‘ฆ4}-crRNA-RBS-mRNA_{gfp}]\] \[-๐‘˜_{obs}[Protein_{๐ถ๐‘ ๐‘ฆ4}][Protein_{๐ถ๐‘ ๐‘ฆ4}-crRNA-RBS-mRNA_{gfp}]\] \[\frac{d[๐‘š๐‘…๐‘๐ด_{๐‘”๐‘“๐‘}]}{dt}=๐‘˜_{obs}[๐‘ƒ๐‘Ÿ๐‘œ๐‘ก๐‘’๐‘–๐‘›_{๐ถ๐‘ ๐‘ฆ4}-crRNA-RBS-๐‘š๐‘…๐‘๐ด_{๐‘”๐‘“๐‘}]-๐‘˜_{d3}[๐‘š๐‘…๐‘๐ด_{gfp}]\] \[\frac{d[๐‘ƒ๐‘Ÿ๐‘œ๐‘ก๐‘’๐‘–๐‘›_{๐ถ๐‘ ๐‘ฆ4}-crRNA]}{dt}=๐‘˜_{obs}[๐‘ƒ๐‘Ÿ๐‘œ๐‘ก๐‘’๐‘–๐‘›_{๐ถ๐‘ ๐‘ฆ4}-crRNA-RBS-๐‘š๐‘…๐‘๐ด_{๐‘”๐‘“๐‘}]-๐‘˜_{dc2}[๐‘ƒ๐‘Ÿ๐‘œ๐‘ก๐‘’๐‘–๐‘›_{๐ถ๐‘ ๐‘ฆ4}-๐‘๐‘Ÿ๐‘…๐‘๐ด]\] \[-๐‘˜_{on}[Protein_{๐ถ๐‘ ๐‘ฆ4}][๐‘๐‘Ÿ๐‘…๐‘๐ด โˆ’ ๐‘…๐ต๐‘† โˆ’ ๐‘š๐‘…๐‘๐ด_{๐‘”๐‘“๐‘}]\] \[+๐‘˜_{off}[Protein_{๐ถ๐‘ ๐‘ฆ4}-๐‘๐‘Ÿ๐‘…๐‘๐ด โˆ’ ๐‘…๐ต๐‘† โˆ’ ๐‘š๐‘…๐‘๐ด_{๐‘”๐‘“๐‘}]\] \[\frac{d[Protein_{gfp}]}{dt}=๐‘˜_{p1}[๐‘š๐‘…๐‘๐ด_{๐‘”๐‘“๐‘}]-๐‘˜_{dp1}[Protein_{gfp}]\]

For the readability, the complex symbol is simplified as:
\[\frac{d[A]}{dt}=๐‘˜_{1}-๐‘˜_{d1}[A]-๐‘˜_{on}[C][A]+๐‘˜_{off}[D]\] \[\frac{d[B]}{dt}=๐‘˜_{2}-๐‘˜_{d2}[B]\] \[\frac{d[C]}{dt}=๐‘˜_{p2}[B]-๐‘˜_{dp2}[C]-๐‘˜_{on}[C][A]+๐‘˜_{off}[D]\] \[\frac{d[D]}{dt}=๐‘˜_{on}[C][A]-๐‘˜_{dp2}[C]-๐‘˜_{off}[D]-๐‘˜_{dc1}[D]-๐‘˜_{obs}[D]\] \[\frac{d[E]}{dt}=๐‘˜_{obs}[D]-๐‘˜_{d3}[E]\] \[\frac{d[F]}{dt}=๐‘˜_{obs}[D]-๐‘˜_{d3}[F]\] \[\frac{d[G]}{dt}=๐‘˜_{p1}[E]-๐‘˜_{dp1}[G]\]

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