1. 研究目的与意义、国内外研究现状（文献综述）
1. 课题意义
氮素是农业生产中非常重要的肥料之一，尽管我们的自然界并不缺乏氮元素，但是生物圈中最大的氮库是大气中的氮气，它的化学惰性决定了大多数生物体都无法直接使用[1]。目前，人们主要通过haber-bosch工艺将n2变为化合态的氮进而供给农作物，然而其弊端也日益突出——高温高压所带来的的能源消耗，环境污染，温室气体排放等[2]。生物固氮则是依赖固氮酶的作用，在自然条件下即可完成氮气的固定，相较于人工化学固定法，具有显而易见的优势，因此利用合成生物学手段来发挥生物固氮更大的潜力，也是目前合成生物学的一个重点研究方向。
生物固氮仅存在于部分细菌与古细菌，是一个非常复杂的反应，需要数十种基因的协同作用，它们通常分布于相邻的位置，构成nif基因簇。固氮酶的结构基因包括铁蛋白基因nifh和钼铁蛋白基因nifdk，而其装配与成熟过程需要其他辅因子的帮助[3]。研究表明，这些基因的表达量也需要严格控制，某些基因表达量的失衡将可能严重影响固氮效率[4]，这对于将生物固氮延伸至一些非固氮生物的工作带来了巨大的障碍。
2. 研究的基本内容和问题
1. 研究目标
本课题基于生物信息学的研究方法，对k. oxytoca中的nif基因簇进行翻译特征的一些分析。翻译特征包括密码子的选用、核糖体结合位点rbs的选用、mrna的二级结构、终止密码子的选用等多方面，而本研究集中于前两项。预计将得到密码子使用偏好性及其与翻译速率的关系；mrna内部各位点的翻译速率分布情况；gc含量情况及其与表达量的关系；不同rbs组合对于e.coli中重构的k. oxytoca nif基因簇的固氮效率分析；潜在固氮效率较高的rbs组合等。
2. 研究内容
3. 研究的方法与方案
1. 研究方法
1.1 基因组数据的获取
根据nif基因簇在微生物种群中的分布，确定包括k. oxytoca在内的十余种微生物，获取其基因组序列及注释信息。
4. 研究创新点
本课题的主要分析内容包括对密码子的选用和对RBS的选用，因而创新点主要分为两项：
1.以nifH基因的翻译速率为研究重点，首次进行其CAI值和翻译速率最低值点的位置分布进行相关性分析，给出翻译过程中核糖体在不同位置减速对于NifH表达量的影响；
2.在固氮合成生物学领域内首次提出以机器学习驱动的nif基因簇重构工作流程，为传统重构方式引入了统计科学与人工智能的协助，将有望使后续重构工作更具有方向性和目的性。5. 研究计划与进展
2020年3月完成课题第一部分的分析工作，得到密码子使用情况与翻译速率及表达量之间的关系；
2020年4月完成课题第二部分的分析工作，得到训练后的机器学习模型，并得到一系列潜在的效率较高的RBS组合。
