EE-425

Master Course Description No: EE 425  Title: LABORATORY METHODS IN SYNTHETIC BIOLOGY  Credits: 4  UW Course Catalog Description: Design and build transgenic bacteria using  promoters and genes taken from a variety of organisms. Construction techniques  including recombination, gene synthesis, and gene extraction. Evaluation of designs  using sequencing, fluorescence assays, enzyme activity assays, and single cell  studies using time‐lapse microscopy.  Offered jointly with BIOEN/CSE 424.  Prerequisites: E E/CSE/BIOEN 423; CHEM 142 or CHEM 145  Instructor: Eric Klavins, Assistant Professor, Electrical Engineering  Goals: For students to acquire the necessary tools for the analysis and design of  linear feedback control systems.  Learning Objectives: At the end of this course students will be able to:     1. Culture bacteria.     2. Manipulate DNA with restriction, ligation, PCR and gel electrophoresis.     3. Transform bacteria with recombinant DNA and screen for successful  transformants.     4. Design genetic regulatory networks at the level of the DNA sequence.     5. Extract DNA from cells and prepare it for sequencing.     6. Perform fluorescence and growth assays with a fluorescence plate reader.     7. Use a fluorescence microscope to capture single cell behavior in time.     8. Analyze experimental data and fit it to mathematical models.     9. Understand the risks and ethical considerations of synthetic biology.  Textbook: Klavins, Bishop, Egbert, House, and Oishi. Laboratory Methods in Synthetic Biology. Available online. Publication in progress.  Reference text: (Optional)    1. Nelson and Cox, Principles of Biochemistry, 4th Edition, Freeman, 2004.    2. Micklos, Freyer and Crothy, DNA Science Cold Spring Harbor Laboratory Press,  2003.  Prerequisites by Topic:   1. Introduction to synthetic biology (or similar)    2. Differential Equations    3. Linear Algebra    4. General Chemistry    5. Familiarity with the use of Matlab.    NOTE: No biochemistry background is required.  T i op cs: 1. The applications, risks and ethics of synthetic biology   ng and sterile technique  2. Lab safety  ti s  3. Basic lab techniques including pipet 4. Bacterial cultures and growth curve 5. Design of experiments and controls  6. Extraction of plasmid DNA from E. coli 7. Recombinant DNA techniques include restriction digests, gel purification,  ligation, and PCR based methods  8. Sequencing for the purposes of debugging constructs  9. Fluorescence reporters and methods for measuring cell activity using  fluorescence  10. Time lapse fluorescence microscopy  11. The application of differential equations and stochastic processes to predicting  the behavior of synthetic biochemical networks  12. Parameter estimation and system identification   Course Structure: The class meets for one lecture a week (Mondays) followed by  two three‐hour lab sessions each week. Laboratory are done in groups of two. There  will be weekly prelab quizzes and then lab reports. A final design project is due at  the end of the quarter.  Computer Resources: The course uses MATLAB for homework problems. The  students complete an average of 3 hours of computer work per week.  Outcome Coverage: (a) An ability to apply knowledge of mathematics, science, and engineering to the  design of biochemical networks for specific applications.  (b) An ability to design and conduct experiments, as well as to analyze and interpret  data. Students will generate and analyze data from their own experiments.  (c) An ability to design a system, component or process to meet desired needs  within realistic constraints such as economic, environmental, social, political,  ethical, health and safety, manufacturability and sustainability. Students are  required to apply the skills acquired in this course to design control systems to meet  specific performance requirements.   (d) An ability to function on multi‐disciplinary teams. Lab work is done in teams and  students typically come from EE, CSE and BioE.   (f) An understanding of professional and ethical responsibilities related to  introducing new genetic material into the ecosystem.  (h) The broad education necessary to understand the impact of engineering  biological solutions in a global, economic, environmental and societal context.  (j) Knowledge of contemporary issues in genetic engineering, gene therapy, biofuels  and energy, medicine and disease.  (k) An ability to use the techniques, skills, and modern engineering tools necessary  for engineering practice. Students use Matlab to analyze and design systems.   Prepared By: Eric Klavins Last revised: 4/17/2009