8、聚糖生产规则的自动推断

聚糖生产规则的自动推断

在生物学和工程学领域，将小的构建模块组装成大型结构的能力至关重要。像DNA和蛋白质的合成，是通过模板复制来完成的，但大多数生物组装过程是没有模板的，聚糖的合成就是这样一个典型例子。

1. 聚糖简介

聚糖是由糖单体构建块组成的树状聚合物，存在于所有活细胞的表面，不同的聚糖树可作为不同细胞类型的身份标记。蛋白质GTase酶通过逐个添加单体构建块来组装聚糖，但这些酶的运作规则尚未完全明确。

2. 传统方法的困境

以往，生物学家需要手动分析细胞中观察到的聚糖集合，并结合生物化学的先验知识来确定生产规则及其控制条件。然而，这个过程成本高昂且容易出错。因为生产规则必须精确生成细胞中的分子集合，不能有其他多余产物，而且关于哪些细胞中存在哪些聚糖的数据集往往不完整。据估计，如果考虑所有生物变异，可能的规则集多达10⁷⁰种。手动理解所有可能的树生成规则既困难又缺乏系统性。

3. 自动合成方法

为了解决上述问题，研究人员提出了一种基于SMT求解器的迭代方法，用于推断聚糖的组装过程。该方法的具体步骤如下：
- 构建约束条件 ：使用模板定义一组未知规则，构建约束条件，以表明这些规则能够组装输入的分子集合。这些约束条件涉及布尔变量、有限范围变量和整数排序约束。
- 合成查询 ：使用现成的SMT求解器来解决这些约束条件。如果约束条件不可满足，则在模板定义的搜索空间中不存在生产规则；否则，约束条件的解将给出一组规则。
- 反例查询 ：除了能够组装输入的分子集合外，合成的规则还不