EE-424

Master Course Description No: BIOE 424  Title: Advanced Systems and Synthetic Biology  Credits: 3  UW Course Catalog Description: This course assumes a basic understanding of  synthetic and systems biology. It introduces a variety of advanced and more in‐ depth topics on cellular networks, including their operation and engineering. The  course is intended for engineering and computer science students. Topics include  advanced mathematical modeling of cellular networks; computational standards in  systems and synthetic biology; computer algorithms for computational analysis;  metabolic flux analysis, control and engineering; protein signaling pathways,  analysis, control and engineering.   Instructor: Herbert Sauro, Associate Professor, Bioengineering  Goals: For students to acquire the necessary tools and knowledge for understanding  the dynamic behavior cellular systems together with engineering principles for the  redesign of synthetic biochemical systems.  Learning Objectives: At the end of this course students will be able to:     1. Understand the different modeling approaches used to represent cellular  networks (Structural, Continuous and Stochastic Approaches)      2. Understand the differences between the fundamental cellular subsystems,  metabolic, protein and genetic and how this influences potential engineering  approaches.     3. Develop an appreciation for the need for standards and ontologies in model  exchange and part representation.      4. Understand, implement and use a variety of computational approaching  including FBA, MFA, Bifurcation and evolutionary methods.     5. Understand the basic principles of metabolic control including small signal  analysis and elementary mode analysis.     6. Learn how to carry out a robustness analysis of a metabolic pathway and  propose strategies for engineering pathways.     7. Understand the control of protein networks, highlighting differences and  similarities with genetic and metabolic systems.     8.  Use computational analysis to study the dynamic properties of protein  networks and the design of robust systems.  Textbook: U. Alon, Control Systems Engineering, An Introduction to Systems Biology: Design Principles of Biological Circuits, Chapman and Hall, 2006.  Reference text: None.  Prerequisites by Topic:   Introduction to Synthetic Biology, EE 423  T i op cs: 1. The importance of network structure in cellular networks   2. Review of continuous and stochastic models of cellular networks y.  3. The interplay between structure and dynamics  onary design approaches in synthetic biolog ML, PoBoL, CAD in synthetic biology)   4. Bifurcation analysis and evoluti 5. Standards and ontologies (SBML, Cell 6. Control systems in metabolism  7. Control systems in protein networks  sis of cellular pathways    modes, FBA and MFA  8. Robustness and small signal analy 9. Advanced structural analysis including elementary ies   dynamical analysis  10.  Metabolic engineering strateg 11. Protein networks, control and 12. Protein network engineering  Course Structure: The class meets for three lectures a week (MWF). There is  weekly homework due; Grading is based on homework, one midterm exam, and a  final exam. The grading percentages and nature of the exams are left to the  discretion of the instructor.  Computer Resources: The course will use MATLAB or any other suitable software  platform 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. Lectures  and homework deal with the application of differential equations, linear algebra and  Laplace transforms to control systems.  (c) An ability to communicate effectively.   (f) An understanding of biology and physiology.  Prepared By: Herbert Sauro  Last revised: 4/28/2009