[發明專利]一種實現細胞間振蕩子同步的電路結構

無效

• 申請號: 200910076690.8
• 申請日: 2009-01-15
• 公開（公告）號: CN101475907A
• 公開（公告）日: 2009-07-08
• 發明（設計）人: 王翔;劉志英
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: C12M1/42
• 分類號: C12M1/42
• 代理公司: 北京慧泉知識產權代理有限公司
• 代理人: 王順榮;唐愛華

(一)技術領域

本發明涉及一種同步的電路結構，尤其涉及一種實現細胞間振蕩子(repressilator)同步的電路結構，該電路結構基于耦合機制和外部控制手段，用于實現細胞間repressilator電路同步，屬于合成生物學技術領域。

(二)背景技術

過去的幾個世紀，分子生物學和細胞生物學方面的發展呈現了爆發式的增長，對于生命的理解也趨向于統一，就是人類可以完整認識生命過程并加以預測，甚至精確控制細胞活動。隨著分子生物學技術的累積，基因工程的發展以及生物學與工程技術的大量結合，合成生物學開始出現并快速發展起來。基因電路作為合成生物學研究的領域之一，通過設計和構建生命體中不存在的生物組件和系統，有助于解決能源、材料、健康和環保等問題。

基因電路將復雜的生物學功能抽象成分子濃度的變化，把注意力集中于系統的輸入輸出，并由此合成了多種單元電路。隨著基因調控網絡復雜度的不斷提高，如何協調各單元電路的時間、空間特性，使其完成特定的生物學功能，成為限制基因電路發展的重要問題，repressilator電路的同步更是近年來基因電路研究的熱點。而且對基因電路同步性的研究，有助于理解生物體體現出的各種自然節律現象，比如心臟在竇房結處的搏動、上視束交叉核處的晝夜節律時鐘等。

在基因電路的同步性方面，國外的學者的研究大多集中在時鐘電路原型的建立和性能分析上。Elowitz最先構建了一個由三個抑制子構成的振蕩基因網絡，稱為repressilator。它不屬于生物體內的自然振蕩網絡，如果動力學參數合理匹配的話，系統會以規律的周期和幅度振蕩，并隨細胞的分裂向外傳播。Basu構建了一個人工多細胞系統，接收細胞內含有沖激信號產生電路，周圍的發送細胞產生信號分子之后，接收細胞可以對此信號產生短暫的響應。沖激信號的幅度和響應時間不僅取決于誘導物最后的濃度，同樣取決于誘導物增加的速率，這樣就賦予了系統獨特的時空特性。Vilar等人也利用生物體內以24小時為周期的自然時鐘網絡構造了細胞間的振蕩系統。之后的研究對于振蕩電路的模型改進、性能提升、噪聲抑制方面都有很大改進。目前，實現細胞間基因電路的同步的常用方法有耦合機制和外部控制兩種。Garcia-Ojalvo借鑒革蘭氏陰性菌中的群體感應機制，利用耦合機制實現了細胞間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同步電路的基礎上，通過周期注入的自體誘導分子，限制多細胞網絡動力特性趨向一致，對周期和幅度變化范圍大的系統同樣適用。但是，這種系統的缺點就是它以轉錄因子作為各振蕩子之間的時鐘信號，這就要求網絡內所有門控的啟動子都對同一個轉錄因子敏感，限制了振蕩子的數目；由于自然界中轉錄因子的抑制子是比較少的，因此效率也不是很高。或者時鐘也可以是由實驗者由外部提供的控制信號。以終止基因表達為基礎的開關電路就是這樣一種系統。網絡中的轉錄因子和其他信號蛋白均由外加的位于啟動子和基因之間的終止子控制。這種系統很好的滿足了系統對于時鐘全局性、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內不同電路時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雜性和我們對于基因電路動力學參數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，分析多個振蕩子之間的同步性。

(三)發明內容

1、目的：本發明的目的是提供一種實現細胞間振蕩子同步的電路結構，該電路克服了現有技術的不足，它是基于耦合機制和外部控制兩種方法，揚長避短，優化組合設計而成。其仿真結果顯示，相同條件下同步效果更好，可操作性更強。