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合成生物学基础知识——开关（Bio-switch）

2013-06-24 10:51阅读：

http://blog.sina.cn/dpool/blog/u/2361923622

合成生物学基础知识——开关（Bio-switch）
2013.6.2 iGEM组培报告
今天的内容是开关第二期。
Bio-switch四种最基本的开关——转换开关Inverter、双相开关Biphasicswitch、双稳态开关（拨动开关）Toggleswitch、核糖开关Riboswitch，金谕在第一次展示和上次组培时都已经讲过。我主要从这四种开关的形式、特点、设计、用途四个方面做一下总结，并举几个简单的例子来说明。
1.转换开关Inverter。
1.1.形式：[3]
合成生物学基础知识——开关（Bio-switch）


和上次逻辑门中“非”门的设计一样，基本结构就是一个“非”门。Cl（由ECFP表现）的高水平对应EYFP的低水平。
1.2.特点：
1.2.1.输入与输出相反。
1.2.2.连续变化的“非”门。
我在这里把转换开关和“非”门拿来比较，就是想说明开关和逻辑门很多情况下是类似的，但是它们的设计理念差别很大。“非”门这种逻辑门的提出根本上是为了模拟简单的数字信号，追求的是离散的信号——0/1；而开关的设计就是为了以一种清晰的联系模拟生物信号，追求的就是生物中的连续信号，不会去刻意设计出离散的状态。
1.3.设计：
就是一个“非”门，只不过要求没有那么严格。两种方向：
Lowinput——Highoutput
Highinput——Lowoutput
1.4.应用：
1.4.1.阻遏系统。
1.4.2.我们今年项目——iPSguard的核心就是利用了miR122构成的转换开关。miR122与自杀基因。

 2.双相开关Biphasicswitch
2.1.形式：[14]
合成生物学基础知识——开关（Bio-switch）

《合成生物学导论》上的一个经典内容。来自噬菌体的一个系统，cI产物与后面序列结合，O1——O2——O3，依次促进结合。一定结合程度前正反馈促进表达，之后变为负反馈抑制cI的表达。
2.2.特点：
2.2.1.来源于一种噬菌体。
2.2.2.同一调控物具有双重调控作用。既有正调控，又有负调控。
2.3.设计：
查不到任何设计，只说是从噬菌体中得来。很有趣，意义很重要，天然存在很多，比如植物激素、矿质元素的作用等。因为设计出来需要一定程度促进，跨越某个点反而表达，没有很好的设计思路，不过我们可以尝试想一想、做一做。
2.4.应用：
没有设计，整体copy下来太多很难操作，因此应用也没法看到。

 3.双稳态开关（拨动开关）Toggleswitch
3.1.形式：[2]
合成生物学基础知识——开关（Bio-switch）

两条相互抑制的通路。现在我们施加IPTG，lacI的阻遏作用被解除，Ptrc-2表达，其产物tetR又相应地抑制PltetO1，lacI低水平不会抑制Ptrc-2，从而tetR与GFP持续高表达；相反，当我们施加aTc，tetR的阻遏作用被解除，PltetO1表达，其产物lacI抑制Ptrc-2，tetR低水平，因此lacI持续高表达，表现出无GFP输出。
3.2.特点：
1.双输入——双输出。
2.鲁棒性。
3.记忆性。
通过数学建模可以得到一个最好的结果：
合成生物学基础知识——开关（Bio-switch）
这个建模结果中的交点就是一个两种状态的稳定状态，浓度有稍微改变，就会变成其中一种高表达的状态。
但通常实验中做出的无法得出一个交点，而是一个交叉区域（这个图之前剑华说过，但这次没找到），因此无法保证在一个点实现两种状态的改变。目前双稳态开关的一个热点也就是如何缩小交叉区域甚至到一个交点，从而更好地实现两种状态的改变。
3.3.设计：
基本理念：两种状态的产物相互抑制。诱导物启动一个状态，持续表达，另一个被抑制。
3.3.1.正输入：input1是为了1的状态。
合成生物学基础知识——开关（Bio-switch）

这个就是之前讲基本形式的那个图，模式化就是这样的。两组阻遏系统，两个诱导物。
3.3.2.负输入：input1抑制1的状态。
合成生物学基础知识——开关（Bio-switch）
这个基本元件是之前说过的逻辑门中的“或非”门，只要其中一个输入为1，输出就为0。比如给入input1，即为1，则output1输出为0，而input2也为0，因此output2输出为1，即表达，这样即使input1不持续表达，由于output2为1，output1不会表达，持续稳定在output2高表达状态；相反，输如input2后，则会转变为output1的持续高表达状态。
3.4.应用：
双稳态的应用十分广泛。就是为了利用它在两种状态间的可控的转变。
举一个例，是12年Slovenia队伍到的作品。[13]是一个相对比较成功的双稳态开关。
合成生物学基础知识——开关（Bio-switch）
为了使两种状态更稳定，他们在相应的后面除了相互的阻遏物还加入自反馈的激活子，也就是可以缩小了中间的交叉区域。但这样做其实调控起来更加困难，因为需要一个很高的强度来转变。

 4.核糖开关Riboswitch
这里先说个小插曲。《合成生物学导论》那本书上这部分是放在第三部分的，可能是按发现时间来的吧。但是我觉得核糖开关这部分给他个单独的名称是完全没必要的，她为什么叫核糖开关？就因为是利用了RNA，就是对象改了，其他方面和前面三种开关没有任何区别。这和前面按照开关的功能来命名完全是不同的，就只是引入了现在研究比较多的RNAi这个新概念，所以我把它放在最后来说。
4.1.形式：
合成生物学基础知识——开关（Bio-switch）
这个图看起来这么多，其实是讲了RNAi的原理，结果就是通过taRNA与引入的cr序列结合调节RBS是否暴露，从而实现产物的是否表达。
4.2. 特点：
到处都讲的RNA调控的特点！分子小、来源广、易操作等等
4.3.设计：

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