复杂天然产物合成人工生物系统的设计与构建.
复杂天然产物的合成与结构解析
复杂天然产物的合成与结构解析复杂天然产物的合成与结构解析天然产物是一类具有复杂结构和多样性功能的有机分子，其在生命科学、药学、化学等领域具有广泛的应用价值。
然而，由于其结构复杂，合成难度大，因此天然产物的研究一直是有机合成化学家们的热点和难点之一。
本文将介绍天然产物的合成与结构解析的相关研究进展。
一、天然产物的合成天然产物的合成通常分为全合成和半合成两种方式。
全合成是指从简单的化合物出发，通过一系列的反应步骤，最终得到目标分子的过程。
全合成的难度较大，需要考虑反应条件、反应中间体稳定性等因素。
半合成则是利用天然产物中已有的结构基础，通过部分化学修饰得到新的衍生物。
半合成相对于全合成来说，难度较小，但是需要对天然产物的结构和性质有深入的了解。
以紫杉醇为例，紫杉醇是一种广泛应用于癌症治疗的药物，其全合成历经了多个化学家的努力和多年的时间。
最终，由于其结构复杂，全合成路线也十分复杂，需要多个步骤，多个中间体参与反应，并且每个步骤都需要考虑反应条件和反应中间体的稳定性。
因此，紫杉醇的全合成被誉为有机化学史上的一项伟大成就。
二、天然产物结构解析天然产物结构解析是指通过一系列的分离、纯化、分析等手段，确定一个未知化合物的结构和性质。
天然产物结构解析通常包括以下几个方面：1. 分离纯化天然产物通常存在于极低的含量下，因此需要对其进行分离纯化。
分离纯化方法包括柱层析、逆流色谱、高效液相色谱等。
通过不同的分离纯化方法可以得到不同级别的纯度。
2. 光谱分析光谱分析是天然产物结构解析中最为常用的方法之一。
包括核磁共振、红外光谱、紫外光谱等。
通过不同的光谱分析方法可以确定不同的结构信息。
3. 质谱分析质谱分析是天然产物结构解析中另一个重要的手段。
包括质谱、高分辨质谱等。
通过不同的质谱分析方法可以获得不同精度和分辨率的质谱图像。
4. 生物活性测定天然产物通常具有多种生物活性，因此通过生物活性测定可以初步了解其生物活性和作用机制。
天然产物的结构与合成
天然产物的结构与合成天然产物是指存在于自然界中的化合物或物质，包括植物、动物和微生物产生的化合物。
这些天然产物具有广泛的生物活性和药理学价值，对于药物研发、农业防治和化妆品等领域有着重要的应用价值。
本文将重点探讨天然产物的结构和合成方法。
一、天然产物结构的特点天然产物具有多样的结构特点，包括单体、二聚体、多聚体和天然产物类似物等。
其中，单体是指天然产物的基本结构单位，如生物碱、酚类化合物等；二聚体是由两个单体通过共价键连接而成，如二萜类化合物等；多聚体是由多个单体通过共价键连接而成，如萜烯类化合物等；而天然产物类似物则是指由人工合成或半合成手段得到的与天然产物结构相似的化合物。
天然产物的结构通常由多个功能基团构成，包括醇基、萜烯骨架、酮基、酸基等。
这些功能基团赋予了天然产物特定的生物活性和药理学作用，如抗菌、抗炎、抗肿瘤等。
二、天然产物的合成方法1. 分离提纯法分离提纯法是通过分离和纯化天然产物来获取纯度较高的化合物。
常用的方法包括溶剂抽提法、黏附剂吸附法、薄层色谱法等。
这些方法主要用于提取大量的天然产物，并进行初步的纯化处理。
2. 半合成法半合成法是指利用天然产物的骨架或功能基团进行改造，并通过人工合成方法合成新的化合物。
这种方法能够充分利用天然产物的结构和活性基团，通过改变它们的结构来提高活性和稳定性。
常用的半合成方法包括酯化、酰化、醇化等。
3. 全合成法全合成法是指从无机物或简单有机物开始，通过连续的化学反应步骤构建目标化合物的方法。
全合成法需要精确控制反应条件和选择合适的合成路径，常用的方法包括格林纳德试剂法、硼试剂法、羟醛试剂法等。
4. 生物合成法生物合成法是利用微生物、植物或动物体内的酶系统合成天然产物的方法。
这种方法可以利用天然产物的天然合成路径，通过改变培养基成分、调节培养条件等方式来提高产物的产量和纯度。
同时，通过基因工程等方法也可以改造酶系统，合成具有新结构和新功能的化合物。
合成生物学在生物医学研究中的应用与前景
合成生物学在生物医学研究中的应用与前景在当今科技飞速发展的时代，合成生物学作为一门新兴的交叉学科，正逐渐展现出其在生物医学领域的巨大潜力。
它融合了生物学、物理学、化学、工程学等多个学科的知识和技术，为解决生物医学中的诸多难题提供了创新的思路和方法。
合成生物学的核心在于通过设计和构建基因、蛋白质等生物分子，以及改造和优化生物系统，来实现特定的生物学功能。
在生物医学研究中，这一技术已经在多个方面取得了显著的成果。
首先，合成生物学在药物研发方面发挥了重要作用。
传统的药物研发往往依赖于从天然产物中筛选活性成分，或者对已知药物进行化学修饰，这不仅耗时费力，而且成功率较低。
而合成生物学则为药物研发提供了新的途径。
例如，通过合成生物学技术，可以人工合成具有特定结构和功能的药物分子。
科学家可以根据药物的作用靶点，设计并构建相应的基因线路，在微生物或细胞中进行表达和生产。
这种“生物合成”的方法不仅能够提高药物的生产效率，降低成本，还可以减少化学合成过程中对环境的污染。
此外，合成生物学还可以用于开发新型的药物递送系统。
通过设计和构建具有特定功能的纳米颗粒或生物载体，能够实现药物的精准靶向投递，提高药物的疗效，降低副作用。
其次，合成生物学在疾病诊断方面也具有广阔的应用前景。
疾病的早期诊断对于治疗效果和患者预后至关重要。
合成生物学可以用于开发新型的生物传感器，实现对疾病标志物的快速、灵敏检测。
例如，利用合成生物学技术构建的基因工程细菌或细胞，可以特异性地识别和响应疾病相关的分子信号，从而发出荧光、产生电流等可检测的信号。
这种生物传感器具有高灵敏度、高特异性和实时检测的优点，能够为疾病的早期诊断提供有力的支持。
此外，合成生物学还可以用于整合多种诊断指标，实现对复杂疾病的综合诊断。
通过构建复杂的基因网络和信号通路，可以同时检测多个疾病标志物，并对其进行综合分析，提高诊断的准确性和可靠性。
再者，合成生物学在细胞治疗和基因治疗领域也展现出了巨大的潜力。
天然产物的化学合成与结构调控方法
天然产物的化学合成与结构调控方法天然产物是指存在于自然界中的具有特定生物活性的化合物，如植物中的次生代谢产物、微生物代谢产物等。
这些化合物具有广泛的生物活性，包括抗菌、抗肿瘤、抗炎等，因此对于药物研发和农业领域具有重要的价值。
然而，由于天然产物通常存在于自然界中的微量，且结构复杂，所以其化学合成和结构调控一直是有挑战性的研究领域。
一、天然产物的化学合成方法天然产物的化学合成是通过人工合成的方法来获得天然产物的化合物。
由于天然产物的结构复杂，合成方法通常需要经过多步反应，并且需要考虑立体化学和反应选择性等因素。
目前，有许多化学合成方法被应用于天然产物的合成中，其中最常用的方法包括：1.1 经典全合成方法：这种方法是通过从简单的起始物质出发，经过一系列反应来逐步构建天然产物的分子骨架。
这种方法的优点是可以获得目标化合物的完全结构，但缺点是合成步骤多、反应条件苛刻，且产率较低。
1.2 生物合成方法：这种方法利用天然产物在生物体内的代谢途径，通过基因工程等手段来实现目标化合物的合成。
生物合成方法具有高效、环境友好等优点，但需要对生物体进行基因工程改造，且只适用于某些特定的天然产物。
1.3 转化合成方法：这种方法通过天然产物的结构转化来实现目标化合物的合成。
转化合成方法通常通过选择性的官能团转化、环化反应等来改变天然产物的分子结构，从而获得目标化合物。
这种方法具有反应步骤少、产率高等优点，但需要对反应条件和反应选择性进行精确控制。
二、天然产物的结构调控方法天然产物的结构调控是指通过化学手段来调节天然产物的结构，从而改变其生物活性和物理化学性质。
结构调控方法可以分为两类：一是通过合成方法来调控结构，二是通过天然产物的修饰来调控结构。
2.1 合成方法调控结构：在天然产物的化学合成过程中，可以通过选择合适的合成方法和反应条件来调控目标化合物的结构。
例如，通过选择不同的反应底物、反应试剂和催化剂等，可以引入不同的官能团和立体中心，从而改变天然产物的结构。
合成生物学研究报告
合成生物学研究报告01合成生物学的概念合成生物学是以工程学理论为指导，设计和合成各种复杂生物功能模块、系统甚至人工生命体,并应用于特定化学物生产、生物材料制造、基因治疗、组织工程等的一门综合学科。
合成生物学包含工程学的理念，而任何一个生命体系可以看作是具有不同功能的生物零件的有序组合。
合成生物学的目的在于设计和创造新的生物组件和体系，对现有的生物体系进行重新设计。
从基本的生物组件构建复杂的人工生命体系，对整个生命过程进行重新设计、改造、构建。
合成生物学的研究应用主要包括两个方面：一是“自上而下”的方法，通过对现有的、天然存在的生物系统进行重新设计和改造，修改已存在的生物系统，使之增添新的功能（从基因组中剔除非必要基因组）；二是“自下而上”的方法，通过设计和构建新的生物元件、组件和系统，创造自然界中尚不存在的人工生命系统（从核苷酸合成新的生命体）。
图：合成生物学的内涵资料来源：中国发展门户网02合成生物学的里程碑事件2000年，美国科学家JamesJ.Collins开发出了遗传开关，这通常被认为合成生物学的开端。
2010年，Craig Venter创造出了第一个人造生命。
之后合成生物学快速发展，出现了非天然核酸、蛋白质从头设计、单条染色体酵母和大肠杆菌基因组全合成等一系列里程碑式的工作。
合成生物学的发展大体经历了3个阶段：第一阶段，创建时期（2000—2003年）：产生了许多具备领域特征的研究手段和理论，特别是基因线路工程的建立及其在代谢工程中的成功运用。
第二阶段，扩张和发展期（2004—2007年）：这一阶段的特征是领域有扩大趋势，但工程技术进步比较缓慢。
第三阶段，快速创新和应用转化期（2008—2013年）：这一阶段涌现出的新技术和工程手段使合成生物学研究与应用领域大为拓展，特别是人工合成基因组的能力提升到了接近染色体长度的水平，基因组编辑技术出现前所未有的突破。
图：2000—2018年合成生物学研究的代表性进展资料来源：中国发展门户网图：以“synthetic biology”为关键词的文章增量资料来源：pubmed03合成生物学的基本模块与传统生物工程相比，合成生物学最大的进步在于对工程设计原理的系统性应用：依据工程设计原理对天然存在的各种酶、调控分子等进行简单化、模块化处理，设计出具有各种基本功能的元件。
生命科学中的药物发现与创新从天然产物到人工合成
生命科学中的药物发现与创新从天然产物到人工合成药物的发现和创新在生命科学领域扮演着重要角色。
从古代开始，人们就利用自然界中的草药和植物提取物作为药物治疗各种疾病。
随着科学技术的发展，人们逐渐转向人工合成药物，并通过合成药物来解决天然产物无法满足需求的问题。
本文将探讨生命科学中药物发现与创新的过程，从天然产物到人工合成。
一、天然产物的药物发现天然产物是指植物、微生物和动物体内的化学物质，具有潜在的药物活性。
通过对天然产物的研究，科学家们发现了许多具有生物活性的化合物，其中不乏重要的药物。
例如，阿司匹林和青霉素都是通过对植物提取物和微生物的研究而发现的。
天然产物的药物发现通常包括以下的步骤。
首先，科学家们通过采集各种不同的植物、微生物和动物样本。
然后，这些样本会被提取和分离，以获取其中的化学物质。
接下来，科学家们会对这些化学物质进行筛选，以评估其是否具有生物活性。
最后，具有生物活性的化合物会进一步进行研究，以确定其对不同疾病的疗效和机制。
天然产物的药物发现有着许多优点。
首先，天然产物通常具有多样性和复杂性，可以提供大量不同的化合物用于药物研究和开发。
其次，这些化合物通常具有天然生物活性，可以为药物发现提供有价值的起点。
最后，天然产物的药物发现源于人类长期对植物和草药的利用，具有一定的临床经验基础。
二、从天然产物到人工合成然而，虽然天然产物在药物发现中起到了重要的作用，但仍然存在着一些问题。
首先，由于天然产物通常仅以微量存在于天然源中，其提取和纯化变得十分困难。
其次，天然产物的结构复杂，合成难度较大。
此外，由于天然产物来源的限制，无法满足大规模药物生产的需求。
为了解决这些问题，科学家们逐渐将目光转向人工合成药物。
人工合成药物是指通过化学合成的方式，将药物的原料化合物合成为目标药物的过程。
通过人工合成，科学家们能够克服天然产物存在的问题，并进一步优化药物结构和性质。
人工合成药物的过程往往需要经历多个步骤，包括催化反应、合成路线的设计和优化等。
环状天然产物的合成及其生物活性研究
环状天然产物的合成及其生物活性研究环状天然产物是指分子结构中存在一个或多个环形结构且具有生物活性的化合物。
这类复杂分子具有大量的立体异构体，良好的生物活性和天然来源，因而引起了科学家们的无限兴趣。
许多环状天然产物已经被发现具有广泛的药物活性，如抗癌、抑菌、抗病毒、抗血液凝块和调节植物生长发育等。
本文将围绕环状天然产物的合成及其生物活性研究进行探讨。
一. 环状天然产物合成方法如果要研究环状天然产物的生物活性，首先需要合成和获得这些化合物。
然而，由于环状结构的复杂性和立体异构体的多样性，环状天然产物的合成一直是有挑战性的任务。
目前，对于环状天然产物合成的方法主要有自然合成、化学合成和生物技术合成。
1. 自然合成有些环状天然产物可以通过天然生物合成的方式来获得。
例如，一些生长在海洋中的海绵、海星、海藻等生物中产生了一些复杂的环状天然产物。
这些生物通过合成具有特定反应性的中间体，在特定的酶的作用下形成目标化合物。
这种合成方法可以减少不必要的中间体，避免不必要的步骤和废弃物的产生，是一种绿色合成方法。
2. 化学合成化学合成是获得环状天然产物的常见方法。
通过不同的合成策略和方法，可以有效地合成多种环状天然产物。
其中，合成方法的选择取决于目标化合物的结构和立体化学，需要考虑反应条件、废弃物的处理和产量等因素。
3. 生物技术合成生物技术合成是一种新兴的环状天然产物合成方法，通过基因工程技术，用基因表达和代谢途径工程来生产具有生物活性的分子。
生物技术合成可以从基因水平上改变目标化合物的构造，实现高效纯化和大规模生产，但也存在一些技术上的挑战，需要灵活运用合适的技术方法。
二. 环状天然产物的生物活性研究环状天然产物的药用价值十分重要，不同的环状天然产物具有不同的生物活性，这与它们的立体异构体和生物成分有关。
许多环状天然产物已被应用于医疗和农药方面，并取得了显著的效果。
以下是一些典型的环状天然产物的药理和生物活性研究。
中国化妆品的未来发展之路将走向何方（五）——合成生物技术篇
中国化妆品的未来发展之路将走向何方（五）——合成生物技术篇随着科学技术的飞速发展，合成生物技术的出现，不仅为化妆品行业带来了全新的视角，更开启了美丽的新纪元。
在化妆品领域，这一技术使得我们能够更加精确地控制产品的成分和功效，实现个性化、定制化美容方案的梦想。
合成生物技术正以其独特的优势，实现着人们对美的追求。
此外，合成生物技术还在推动化妆品行业的可持续发展方面发挥着重要作用。
传统化妆品的生产往往需要大量的天然资源，并且在提取和加工过程中可能对环境造成破坏。
而合成生物技术则能够通过生物发酵等环保方式，实现原料的可持续生产，减少对环境的影响。
为此，我们邀请行业专家深入探讨合成生物技术在化妆品行业应用前景以及面临的挑战。
如何确保产品的安全性和有效性？如何分析生物技术来源原料的评价和风险点？希望通过关于合成生物技术的探讨，在国家倡导新质生产力的指引下，在中国化妆品行业迈向高质量发展历程中给予一定的启迪和思考。
24ChinaCosmeticsReview主持人《中国化妆品》杂志社主编 刘 丽25ChinaCosmeticsReview合成生物学是何时提出的概念？为什么说其是 “DNA双螺旋结构”“基因组技术”之后的第三次生物科技革命？●王昌涛：合成生物学概念的萌芽最早应该可以追溯到1980年基因重组技术的出现，随着基因重组技术的发展，生物元件重构与目的产物合成的关联性开始被重视起来。
在2000年，斯坦福大学教授Eric Kool 对“合成生物学”进行了提出与重新定义，认为这项技术是基于系统生物学遗传工程的人工生物系统研究。
现在比较成熟的合成生物学概念，是指在工程学思想指导下，按照既定目标来设计改造，或是从头合成新的生物体系。
简而言之，就是实现生物学的工程化。
在我看来，可以称之为第三次生物科技革命的技术，一定是对全球经济甚至人类命运具有强大推动作用的科技革新。
而合成生物学为生物科学领域带来了全新的范式和方法，主要体现在四个方面。
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汪建峰 等/复杂天然产物合成人工生物系统的设计与构建Chinese Journal of Biotechnology August 25, 2013, 29(8): 1146−1160 /cjbcn©2013 Chin J Biotech, All rights reservedReceived : May 21, 2013; Accepted : July 5, 2013Supported by : National Basic Research Program of China (973 Program) (No. 2012CB721104), National Natural Science Foundation of China (Nos. 31170101, 31100073), Major Projects of Knowledge Innovation Program of Chinese Academy of Sciences (No. KSCX2-EW-J-12). Corresponding author : Yong Wang. Tel/Fax: +86-21-54924295; E-mail: yongwang@国家重点基础研究发展计划 (973计划) (No. 2012CB721104)，国家自然科学基金 (Nos. 31170101，31100073)，中国科学院知识创新工程重大项目 (No. KSCX2-EW-J-12) 资助。
生物工程学报复杂天然产物合成人工生物系统的设计与构建汪建峰1,2，蒙海林1，熊智强1，王勇11 中国科学院上海生命科学研究院 植物生理生态研究所 合成生物学重点实验室，上海 200032 2 华东理工大学 生物反应器工程国家重点实验室，上海 200237汪建峰, 蒙海林, 熊智强, 等. 复杂天然产物合成人工生物系统的设计与构建. 生物工程学报, 2013, 29(8): 1146−1160. Wang ZF, Meng HL, Xiong ZQ, et al. Design and construction of artificial biological systems for complex natural products biosynthesis. Chin J Biotech, 2013, 29(8): 1146−1160.摘 要: 天然产物是人类疾病预防和治疗药物的最重要来源。
合成生物学技术的蓬勃发展为天然产物的开发注入了全新的活力。
文中重点介绍了如何利用合成生物技术进行复杂天然产物合成人工生物系统的设计与构建，包括与此相关的生物元件理性设计、生物元件挖掘、途径装配与集成，模块的组装与系统的适配等内容。
关键词: 合成生物学，人工生物系统，天然产物Design and construction of artificial biological systems for complex natural products biosynthesisJianfeng Wang 1,2, Hailin Meng 1, Zhiqiang Xiong 1, and Yong Wang 11 Key Laboratory of Synthetic Biology , Institute of Plant Physiology and Ecology , Shanghai Institutes for Biological Sciences , Chinese Academy of Sciences , Shanghai 200032, China2 State Key Laboratory of Bioreactor Engineering , East China University of Science and Technology , Shanghai 200237, ChinaAbstract: Natural products (NPs) are important drug pools for human disease prevention and treatment. The great advances in synthetic biology have greatly revolutionized the strategies of NPs development and production. This review entitled with design and construction of artificial biological systems for complex NPs biosynthesis, mainly introduced the progresses in artificial design of synthetic biological parts, naturally mining novel synthetic parts of NPs, the assembly & adaption of the artificial biological modules & systems.Keywords : synthetic biology, artificial biological systems, natural products汪建峰 等/复杂天然产物合成人工生物系统的设计与构建cjb@天然产物一直都是临床药物开发的重要源泉。
近十年来基因组、宏基因组测序工作的大规模开展以及新的高效筛选方法的引入，让人们重新认识到自然界中存在着远远超出预期的天然产物或与其合成相关的基因资源，合成生物学技术的出现更是让天然产物的研究获得了全新的机遇[1-2]。
合成生物学技术已经深深地影响了天然产物研究的各个环节，天然产物从初期的筛选，到后续的开发、生产和制造正在发生一场深刻的变革。
通过挖掘天然产物合成相关的生物学元件，经理性设计并在底盘细胞中集成装配，进一步结合人工生物系统中各功能模块的优化与适配后，可有效地进行珍稀天然产物高效合成[3]。
植物源抗疟疾药物青蒿素的中间体青蒿酸的微生物合成即是这一领域最成功的典范。
Keasling 及其合作者经过十多年的努力，陆续完成了青蒿酸合成途径基因的分离，在酿酒酵母细胞中对青蒿酸合成途径进行重新设计、集成装配、模块适配等工作，最终使酿酒酵母合成了超过25 g/L 的青蒿酸[4]。
该工作成功地利用微生物发酵大规模生产植物来源的青蒿酸，实现全天候廉价地生产珍稀天然药物。
传统天然产物及生物学的研究已经为天然产物合成生物学研究提供了大量的生物学素材，但随着研究的深入，亟需开发更多的生物元件，并对现有的生物元件库进行更新升级和标准化，为构建相关的细胞工厂实现珍稀化合物的大量合成或获得更多的新颖化合物打下基础。
此外，随着人工合成系统结构与功能复杂度的增加，也需要进一步发展新的理论和方法，更科学地进行生物元件到功能模块与系统的组装适配[5]。
本文将以天然产物合成生物学研究为背景，从生物元件的人工设计，生物元件的挖掘，由生物元件到功能模块系统的组装适配来阐述该领域的研究思路与方法。
1 合成生物学元件的人工理性设计生物元件 (Biological parts) 是具有特定功能的氨基酸或核苷酸序列，如用于基因表达调控的调控元件 (包括启动子、终止子、核糖体结合位点 (RBS))，特定功能的结构元件 (如天然产物合成途径中酶基因) 等。
它们是生物体最基本的组成单元，也是合成生物学研究中构建人工生命体最基础的砖块[6]。
不同来源不同功能的生物元件，可以通过复杂的设计，与其他元件或模块组装成更大规模的具有特定生物学功能的生物回路、装置和系统。
因此，生物元件的挖掘与开发是设计与组装更高层次的功能模块和生命系统的基础。
传统分子生物学和生物化学研究积累大量的DNA 和蛋白质元件，并对许多元件进行了定义。
科研人员将这些生物元件整理归档到了一系列开放的元件库中，如美国麻省理工大学的标准生物元件登记库 (Registry of Standard Biological Parts ，)，Keasling 教授课题组开发的The Joint BioEnergy Institute Inventory of Composable Elements (JBEI-ICEs) [7]等。
这些元件库的建立大大促进了元件的标准化，方便了其在合成生物学方面的应用。
但是相对于浩瀚的天然生物资源，已开发的资源还是极其有限的，仅以微生物资源为例，可培养的微生物仅仅占微生物资源总量的1％，这些未开发的生物资源中蕴藏着大量功能新颖的生物元件[8]。
此外更精细复杂的合成生物学系统的设计，对生物元件的功能及生物特性等提出了更高品质的要求。
因此设计与开发更高品质的非天然元件，ISSN 1000-3061 CN 11-1998/Q Chin J Biotech August 25, 2013 Vol.29 No.8/cjbcn挖掘更多特性新颖的天然元件，是丰富生物元件库的两大策略，也是合成生物学发展最原始的驱动力。
根据设计策略的差别主要有两种方法：一是基于随机突变与文库筛选的方法，二是基于模型计算和预测的理性设计方法。
虽然通过构建文库的方法来设计符合预期特性的启动子或RBS 等调控元件是一种非常有效的方法，但大规模人工生命系统的构建往往涉及数目庞大的调控元件，而文库的构建与元件的筛选效率低下。
此外许多蛋白质元件 (如酶蛋白，调控蛋白等) 缺少高通量模型，无法快速地进行文库筛选以获得预期功能的突变体。
因此根据掌握的元件序列与功能之间存在的特殊关系，建立计算机模型对元件的关键位点进行改造，理性设计具有预期功能和控制特性的元件是元件设计的重要方向。
De May 等[9]利用偏最小二乘 (PLS) 回归法建立了大肠杆菌组成型启动子序列与强度关系的预测模型，但预测准确度有待提高。
在模型预测的指导下可合理地选择最适强度的启动子并结合启动子敲入 (Knock-in) 技术去调控代谢途径上基因的表达，从而实现途径的优化[10]。
Rhodius 等[11]以大肠杆菌中σE 因子识别和结合的启动子为代表，提出了一种基于位置权重矩阵 (PWM) 模型的强度预测方法。
他们把60个σE 启动子的−35~+20区域划分为−35、−10、spacer 等功能模体，并对每个功能模体进行PWM 打分，然后对PWM 得分总和与强度值的对数进行线性化拟合，发现部分模体的联合得分与启动子强度具有较好的相关性，R 值普遍在0.57至0.77之间。