[发明专利]一种实现细胞间振荡子同步的电路结构

说明书

(一)技术领域

本发明涉及一种同步的电路结构，尤其涉及一种实现细胞间振荡子(repressilator)同步的电路结构，该电路结构基于耦合机制和外部控制手段，用于实现细胞间repressilator电路同步，属于合成生物学技术领域。

(二)背景技术

过去的几个世纪，分子生物学和细胞生物学方面的发展呈现了爆发式的增长，对于生命的理解也趋向于统一，就是人类可以完整认识生命过程并加以预测，甚至精确控制细胞活动。随着分子生物学技术的累积，基因工程的发展以及生物学与工程技术的大量结合，合成生物学开始出现并快速发展起来。基因电路作为合成生物学研究的领域之一，通过设计和构建生命体中不存在的生物组件和系统，有助于解决能源、材料、健康和环保等问题。

基因电路将复杂的生物学功能抽象成分子浓度的变化，把注意力集中于系统的输入输出，并由此合成了多种单元电路。随着基因调控网络复杂度的不断提高，如何协调各单元电路的时间、空间特性，使其完成特定的生物学功能，成为限制基因电路发展的重要问题，repressilator电路的同步更是近年来基因电路研究的热点。而且对基因电路同步性的研究，有助于理解生物体体现出的各种自然节律现象，比如心脏在窦房结处的搏动、上视束交叉核处的昼夜节律时钟等。

在基因电路的同步性方面，国外的学者的研究大多集中在时钟电路原型的建立和性能分析上。Elowitz最先构建了一个由三个抑制子构成的振荡基因网络，称为repressilator。它不属于生物体内的自然振荡网络，如果动力学参数合理匹配的话，系统会以规律的周期和幅度振荡，并随细胞的分裂向外传播。Basu构建了一个人工多细胞系统，接收细胞内含有冲激信号产生电路，周围的发送细胞产生信号分子之后，接收细胞可以对此信号产生短暂的响应。冲激信号的幅度和响应时间不仅取决于诱导物最后的浓度，同样取决于诱导物增加的速率，这样就赋予了系统独特的时空特性。Vilar等人也利用生物体内以24小时为周期的自然时钟网络构造了细胞间的振荡系统。之后的研究对于振荡电路的模型改进、性能提升、噪声抑制方面都有很大改进。目前，实现细胞间基因电路的同步的常用方法有耦合机制和外部控制两种。Garcia-Ojalvo借鉴革兰氏阴性菌中的群体感应机制，利用耦合机制实现了细胞间repressilator的同步。外部控制手段可以是周期变化的光照、温度或者周期注入的抑制蛋白，前两者虽然是自然界中普遍存在的时钟同步的方式，但是无论是模型还是可操作性都存在许多未知的方面。Wang在Garcia-Ojalvo同步电路的基础上，通过周期注入的自体诱导分子，限制多细胞网络动力特性趋向一致，对周期和幅度变化范围大的系统同样适用。但是，这种系统的缺点就是它以转录因子作为各振荡子之间的时钟信号，这就要求网络内所有门控的启动子都对同一个转录因子敏感，限制了振荡子的数目；由于自然界中转录因子的抑制子是比较少的，因此效率也不是很高。或者时钟也可以是由实验者由外部提供的控制信号。以终止基因表达为基础的开关电路就是这样一种系统。网络中的转录因子和其他信号蛋白均由外加的位于启动子和基因之间的终止子控制。这种系统很好的满足了系统对于时钟全局性、易操作性、灵活性的要求，然而终止子和反终止子分别作用于系统内不同电路时它们之间的相互影响也是不可避免的。

此外，基因电路是与电子电路相对而言的，由于分子生物固有的复杂性和我们对于基因电路动力学参数依然存在许多不了解的方面，在对基因电路分析的过程中可以借鉴电子电路中许多成熟的理论和方法。Alexandre在他的论文中建立了一个类似于基因电路中振荡器的模拟电路，通过比较全局匹配和全局外部控制的效果，分析多个振荡子之间的同步性。

(三)发明内容

1、目的：本发明的目的是提供一种实现细胞间振荡子同步的电路结构，该电路克服了现有技术的不足，它是基于耦合机制和外部控制两种方法，扬长避短，优化组合设计而成。其仿真结果显示，相同条件下同步效果更好，可操作性更强。