[發(fā)明專利]一種實(shí)現(xiàn)細(xì)胞間振蕩子同步的電路結(jié)構(gòu)

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 200910076690.8
• 申請日: 2009-01-15
• 公開（公告）號: CN101475907A
• 公開（公告）日: 2009-07-08
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王翔;劉志英
• 申請（專利權(quán)）人: 北京航空航天大學(xué)
• 主分類號: C12M1/42
• 分類號: C12M1/42
• 代理公司: 北京慧泉知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司
• 代理人: 王順榮;唐愛華

(一)技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種同步的電路結(jié)構(gòu)，尤其涉及一種實(shí)現(xiàn)細(xì)胞間振蕩子(repressilator)同步的電路結(jié)構(gòu)，該電路結(jié)構(gòu)基于耦合機(jī)制和外部控制手段，用于實(shí)現(xiàn)細(xì)胞間repressilator電路同步，屬于合成生物學(xué)技術(shù)領(lǐng)域。

(二)背景技術(shù)

過去的幾個(gè)世紀(jì)，分子生物學(xué)和細(xì)胞生物學(xué)方面的發(fā)展呈現(xiàn)了爆發(fā)式的增長，對于生命的理解也趨向于統(tǒng)一，就是人類可以完整認(rèn)識(shí)生命過程并加以預(yù)測，甚至精確控制細(xì)胞活動(dòng)。隨著分子生物學(xué)技術(shù)的累積，基因工程的發(fā)展以及生物學(xué)與工程技術(shù)的大量結(jié)合，合成生物學(xué)開始出現(xiàn)并快速發(fā)展起來。基因電路作為合成生物學(xué)研究的領(lǐng)域之一，通過設(shè)計(jì)和構(gòu)建生命體中不存在的生物組件和系統(tǒng)，有助于解決能源、材料、健康和環(huán)保等問題。

基因電路將復(fù)雜的生物學(xué)功能抽象成分子濃度的變化，把注意力集中于系統(tǒng)的輸入輸出，并由此合成了多種單元電路。隨著基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜度的不斷提高，如何協(xié)調(diào)各單元電路的時(shí)間、空間特性，使其完成特定的生物學(xué)功能，成為限制基因電路發(fā)展的重要問題，repressilator電路的同步更是近年來基因電路研究的熱點(diǎn)。而且對基因電路同步性的研究，有助于理解生物體體現(xiàn)出的各種自然節(jié)律現(xiàn)象，比如心臟在竇房結(jié)處的搏動(dòng)、上視束交叉核處的晝夜節(jié)律時(shí)鐘等。

在基因電路的同步性方面，國外的學(xué)者的研究大多集中在時(shí)鐘電路原型的建立和性能分析上。Elowitz最先構(gòu)建了一個(gè)由三個(gè)抑制子構(gòu)成的振蕩基因網(wǎng)絡(luò)，稱為repressilator。它不屬于生物體內(nèi)的自然振蕩網(wǎng)絡(luò)，如果動(dòng)力學(xué)參數(shù)合理匹配的話，系統(tǒng)會(huì)以規(guī)律的周期和幅度振蕩，并隨細(xì)胞的分裂向外傳播。Basu構(gòu)建了一個(gè)人工多細(xì)胞系統(tǒng)，接收細(xì)胞內(nèi)含有沖激信號產(chǎn)生電路，周圍的發(fā)送細(xì)胞產(chǎn)生信號分子之后，接收細(xì)胞可以對此信號產(chǎn)生短暫的響應(yīng)。沖激信號的幅度和響應(yīng)時(shí)間不僅取決于誘導(dǎo)物最后的濃度，同樣取決于誘導(dǎo)物增加的速率，這樣就賦予了系統(tǒng)獨(dú)特的時(shí)空特性。Vilar等人也利用生物體內(nèi)以24小時(shí)為周期的自然時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造了細(xì)胞間的振蕩系統(tǒng)。之后的研究對于振蕩電路的模型改進(jìn)、性能提升、噪聲抑制方面都有很大改進(jìn)。目前，實(shí)現(xiàn)細(xì)胞間基因電路的同步的常用方法有耦合機(jī)制和外部控制兩種。Garcia-Ojalvo借鑒革蘭氏陰性菌中的群體感應(yīng)機(jī)制，利用耦合機(jī)制實(shí)現(xiàn)了細(xì)胞間repressilator的同步。外部控制手段可以是周期變化的光照、溫度或者周期注入的抑制蛋白，前兩者雖然是自然界中普遍存在的時(shí)鐘同步的方式，但是無論是模型還是可操作性都存在許多未知的方面。Wang在Garcia-Ojalvo同步電路的基礎(chǔ)上，通過周期注入的自體誘導(dǎo)分子，限制多細(xì)胞網(wǎng)絡(luò)動(dòng)力特性趨向一致，對周期和幅度變化范圍大的系統(tǒng)同樣適用。但是，這種系統(tǒng)的缺點(diǎn)就是它以轉(zhuǎn)錄因子作為各振蕩子之間的時(shí)鐘信號，這就要求網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有門控的啟動(dòng)子都對同一個(gè)轉(zhuǎn)錄因子敏感，限制了振蕩子的數(shù)目；由于自然界中轉(zhuǎn)錄因子的抑制子是比較少的，因此效率也不是很高?；蛘邥r(shí)鐘也可以是由實(shí)驗(yàn)者由外部提供的控制信號。以終止基因表達(dá)為基礎(chǔ)的開關(guān)電路就是這樣一種系統(tǒng)。網(wǎng)絡(luò)中的轉(zhuǎn)錄因子和其他信號蛋白均由外加的位于啟動(dòng)子和基因之間的終止子控制。這種系統(tǒng)很好的滿足了系統(tǒng)對于時(shí)鐘全局性、易操作性、靈活性的要求，然而終止子和反終止子分別作用于系統(tǒng)內(nèi)不同電路時(shí)它們之間的相互影響也是不可避免的。

此外，基因電路是與電子電路相對而言的，由于分子生物固有的復(fù)雜性和我們對于基因電路動(dòng)力學(xué)參數(shù)依然存在許多不了解的方面，在對基因電路分析的過程中可以借鑒電子電路中許多成熟的理論和方法。Alexandre在他的論文中建立了一個(gè)類似于基因電路中振蕩器的模擬電路，通過比較全局匹配和全局外部控制的效果，分析多個(gè)振蕩子之間的同步性。

(三)發(fā)明內(nèi)容

1、目的：本發(fā)明的目的是提供一種實(shí)現(xiàn)細(xì)胞間振蕩子同步的電路結(jié)構(gòu)，該電路克服了現(xiàn)有技術(shù)的不足，它是基于耦合機(jī)制和外部控制兩種方法，揚(yáng)長避短，優(yōu)化組合設(shè)計(jì)而成。其仿真結(jié)果顯示，相同條件下同步效果更好，可操作性更強(qiáng)。