With the rise in engineered biomolecular devices, there is an increased need for tailor-made biological sequences. Often, many similar biological sequences need to be made for a specific application meaning numerous, sometimes prohibitively expensive, lab experiments are necessary for their optimization. This paper presents a transfer learning design of experiments workflow to make this development feasible. By combining a transfer learning surrogate model with Bayesian optimization, we show how the total number of experiments can be reduced by sharing information between optimization tasks. We demonstrate the reduction in the number of experiments using data from the development of DNA competitors for use in an amplification-based diagnostic assay. We use cross-validation to compare the predictive accuracy of different transfer learning models, and then compare the performance of the models for both single objective and penalized optimization tasks.


翻译:随着工程化生物分子器件的兴起,对定制化生物序列的需求日益增加。通常,特定应用需要制备大量相似的生物序列,这意味着其优化过程需要进行大量(有时甚至因成本过高而不可行)的实验室实验。本文提出了一种基于迁移学习的实验设计工作流,使这一开发过程变得可行。通过将迁移学习代理模型与贝叶斯优化相结合,我们展示了如何通过共享优化任务间的信息来减少实验总数。我们利用基于扩增的诊断检测中竞争DNA分子开发的数据,验证了实验数量的降低效果。采用交叉验证比较了不同迁移学习模型的预测精度,进而对比了这些模型在单目标优化与带惩罚的多目标优化任务中的性能表现。

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迁移学习(Transfer Learning)是一种机器学习方法,是把一个领域(即源领域)的知识,迁移到另外一个领域(即目标领域),使得目标领域能够取得更好的学习效果。迁移学习(TL)是机器学习(ML)中的一个研究问题,着重于存储在解决一个问题时获得的知识并将其应用于另一个但相关的问题。例如,在学习识别汽车时获得的知识可以在尝试识别卡车时应用。尽管这两个领域之间的正式联系是有限的,但这一领域的研究与心理学文献关于学习转移的悠久历史有关。从实践的角度来看,为学习新任务而重用或转移先前学习的任务中的信息可能会显着提高强化学习代理的样本效率。

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