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Puriney's Notes

Puriney=purine+Y, my Wonderland

 
 
 

日志

 
 

戏说SB那点破事  

2011-03-15 21:14:03|  分类: Bio |  标签: |举报 |字号 订阅

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1. 基因元件电路化


将合成生物学里的基因元件比喻为电路设计里的电子元件,这样的比喻在忽略生命复杂的情况下是非常合理的(毕竟电子元件很规范统一,直接组装就完,相比之下生命元件各种复杂与纠结,圆环套圆环)。

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经典的电路元件,比如开关,基于逻辑门("与"/"或"/"否")。(我表示图中的电路我看不懂,风中凌乱了)。类似地,在天然的生物世界里,也有自然就存在的开关。经典的生物开关就是控制溶源/裂解态的噬菌体λ。cI基因编码的阻遏蛋白可使感染了λ噬菌体的大肠杆菌进入溶原化状态。cro基因编码的产物促使感染噬菌体的大肠杆菌进入裂解状态。而二者的基因产物都会抑制另一方的启动子以至于抑制另一种状态的开启。在合成的基因通路中,借鉴类似的原理。一方面,PL启动子(源自于噬菌体lambda)用来启动lacI的转录 ,lacI的编码产物会抑制Ptrc2启动子;另一方面,Ptrc2(lac启动子的一种)用来启动cl-ts的转录,而cl-ts的翻译产物是一种温度敏感型蛋白CI抑制蛋白,CI抑制蛋白会抑制PL启动子。这就人工合成了一个开关。当外界条件时,可以选择性地开关某一种方向的基因表达。比如升温的条件下,温度敏感型蛋白CI失去活性,lacI的被抑制效果解除,下游表达GFP绿色荧光蛋白。同理,如果环境中添加IPTG,lacI编码产物失活,Ptrc2启动子的被抑制效果解除,GFP没有启动子来启动表达,于是不表达GFP。

 

经典的电路元件,比如振荡器。在记录系统状态时(如电脑如何计算1秒钟的时长)利用的就是振荡器(亲娘的物理真难)。在自然生物世界里,生物钟的控制是无处不在的。比如在蓝细菌(cyanobacteria)就可以通过三种蛋白kaiA,kaiB,kaiC之间的相互纠结正负反馈调节来实现振荡器效果进而提供生物钟信息。在人工合成的基因回路里,设计了三套启动子和基因的组合。某基因的启动子被上游的基因表达产物抑制,自己的表达产物抑制下游的启动子。置于底层的基因产物回过头来抑制顶层的启动子。这就是在玩斗兽棋。

2. 生物传感(Biosensing)


原则上生物传感分为三个功能部分,第一个是感受外接刺激信号的接收器,第二个是响应信号做出反应的效应器,第三个就是连接接收器和效应器之间的信号传导通道。(好吧,所有传感器都是这样的...所以神经纤维本质上就是传感器?)一般,把传导和响应这两个部分融合在一起。

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在传感上,可以是在转录水平的,也可以是在翻译水平的。

1. 在转录水平上,所有的转录工具都可以拿来被合成进而操作。比如基因的启动子,RNA聚合酶,转录因子等。鉴于在真核生物/原核生物/古生菌界已经发现了很多环境敏感型的启动子(比如2010年北京大学iGEM团队做的重金属敏感),在这方面,入手的元件大多还是集中在启动子。跪求是否有人知道这些promoter的功能数据库?promoter的sequence和ID数据库有不少(比如PromEChttp://margalit.huji.ac.il/)。

 

如图中所举的例子。使用的"与"门逻辑门。两种启动子Psal和PBAD分别对水杨酸和阿拉伯糖敏感。PBAD驱动下游的T7 RNA聚合酶基因。然而T7 RNA聚合酶基因的转录本序列之中有终止密码子(UAG),图中红色刺球状表示,这些终止密码子会中断正常T7 RNA聚合酶的翻译过程。所以本质上说,这时T7 RNA聚合酶不能正常表达,也就不能正常激活启动子PT7进而开启下游报告基因。另一方面,Psal启动子激活supD基因,该基因的产物可以转录出supD终止子抑制型tRNA。这种tRNA的效果会消除终止子的效果,所以T7 RNA聚合酶得以正常合成,继而开启PT7启动子以及之后下游的报告基因。

 

2. 在翻译水平上,各类非编码RNA是天然的调控元件。尤其是RNA的aptamer功能域,更是赋予了RNA更多生物识别功能。简单来说,Aptamer本身是一种寡核苷酸序列或者是肽段,可以特定结合一些靶标分子,比如小分子物质,蛋白质或者核算。如图中所示,正是因为RNA的aptamer区域结合茶碱分子,发生了空间构象的改变。于是该RNA分子就结合到报告基因序列上关闭了该基因的表达。

 

3. 细胞-细胞信号交流

在后翻译阶段(post-translational),有成功案例完成了细胞-细胞之间的信号交流。

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上图中的a部分,简单来说跟普通的生物传感很相似。有趣的是第二种可以实现光控制,细胞与细胞之间自动提示。在有光照和没有光照的地方,可以显色。实现细胞之间交流的分子是AHL。

1)没有光照的条件下:

Cph8激活,促使下游的所有基因表达。同时细胞合成AHL并且可以释放到环境中。可以知道,在合成的基因回路中,CI也合成了。lacZ前的启动子Plux-lambda可以被CI抑制,同时也可以被LuxR激活,只是抑制作用比激活作用。所以这时,lacZ得不到表达,进而没有beta-半乳糖苷酶活性,不能显色

2)在有光照的条件下:

Cph8失活,下游所有基因不能表到。AHL合成丧失。所以lacZ也不能表达。不能显色。

3)只有在光照区域和黑暗区域的交界处:

因为黑暗区的细胞释放的AHL游离在培养基里,在光照区域的细胞可以只得到AHL的激活 作用而没有CI的抑制作用。所以,如果给一个培养基里给投射一个光源,可以在光圈的边缘得到有色区。

当然,这种细胞-细胞之间的信号传感比较一般。毕竟是人工合成的,远远达不到植物胞间联丝或者神经元之间的信号传导。更多信号传导的课题在2010年iGEM比赛中东京工业大学给大肠杆菌赋予了人性。

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