电子课件第四章 合成生物学基础研究4.5~4.9.ppt
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2、学北京理工大学 生命学院生命学院 合成生物学概述合成生物学概述 合成生物系统的设计合成生物系统的设计 合成生物系统的数学模拟与性能分析合成生物系统的数学模拟与性能分析 合成生物学的基础合成生物学的基础 合成生物学的应用研究合成生物学的应用研究 最新案例与讨论最新案例与讨论提纲提纲第二部分第二部分 其他方面的合成生物学研究其他方面的合成生物学研究合成生物学的目的是通过各种人工生物体的应合成生物学的目的是通过各种人工生物体的应用解决环境、能源、健康等方方面面的问题。因此,用解决环境、能源、健康等方方面面的问题。因此,除了上述迷你逻辑功能的遗传线路设计以外,其他除了上述迷你逻辑功能的遗传线路设计以外
3、,其他方面的合成生物学基础研究同样备受关注。方面的合成生物学基础研究同样备受关注。4.5 控制群体数量的基因线路群群体体感感应应(quorum-sensing)现现象象,当当生生物物形形成成的的群群体体达达到到一一定定数数量量时时,群群体体中中细细胞胞分分泌泌的的信信号号分分子子也也会会积积累累到到一一定定浓浓度度,此此时时,群群体体感感应应系系统统会会对信号分子做出相应的响应,调节微生物群体行为。对信号分子做出相应的响应,调节微生物群体行为。加加州州理理工工学学院院的的Lingchong.You 等等(2004年年)基基于于以以上上机机理理,在在大大肠肠杆杆菌菌中中构构造造了了利利用用信信号
4、号感感应应系系统统调调控控细细胞胞凋凋亡亡来来控控制制细细胞胞群群体体浓浓度度的的基基因因路路线线。此此研研究究将将单单个个细细胞胞基基因因线线路路的的作作用用结结果果扩扩散散至至细细胞胞群群体体中中,通通过过以以群群体体行行为为的的统统计计结结果果作作为为基基因因线线路路得得表征,实现对细胞群体密度的人工调控。表征,实现对细胞群体密度的人工调控。细细胞胞凋凋亡亡,又又称称程程序序性性细细胞胞死死亡亡(programmed cell death,PCD),是是一一种种高高度度调调节节的的生生理理性性细细胞胞死死亡亡过过程程。与与坏坏死死不不同同,细细胞胞凋凋亡亡是是指指细细胞胞接接受受某某种种
5、信信号号或或受受到到某某些些因因素素刺刺激激后后,会会发发生生主主动动的的、有有基基因因调调控的消亡过程。控的消亡过程。由由于于细细胞胞凋凋亡亡过过程程常常伴伴随随有有重重要要的的生生物物现现象象,能能有有效效调调节节细细胞胞的的生生长长、发发育育、癌癌变变、免免疫疫缺缺陷陷等等过过程程,研研究究其其行行为为具具有有积积极极的的生生物物学学意意义义,因因此此以以成成为为当当今今生命科学研究的热点之一。生命科学研究的热点之一。整个系统由两部分构成:整个系统由两部分构成:(1 1)IPTGIPTG控制的信号分子发生装置。控制的信号分子发生装置。(2 2)由)由PluxIPluxI启动子控制的检测和
6、程序性凋亡装置。启动子控制的检测和程序性凋亡装置。LacZLux RLux RLux ILux RLux IPlac/ara-1lacZ-ccdBPlux ICcdBAHL细胞膜AB控制群体数量的基因线路图质粒结构图数字模型:数字模型:N(mL-1)=viable cell densityk(h-1)=growth rateNm(mL-1)=carrying capacityE(nM)=concentration of killer protein d(nM-1h-1)=death rate constantA=concentration of AHLkE&dE=growth and degr
7、adation rate constants of EvA&dA=same for AHLEq.1)Cell Growth and DeathEq.2)Production and Degradation of the Killer ProteinEq.3)Production and Degradation of AHLN的的变变化化有有两两部部分分组组成成:第第一一项项式式细细胞胞自自然然生生长长的的Logistic模模型型,Nm为为自自然然生生长长条条件件下下细细胞胞的的最最大大数数量量,k为为细细胞胞的的增长速率;第二项是细胞凋亡速率。增长速率;第二项是细胞凋亡速率。CcdB的的变变化
8、化也也由由两两部部分分组组成成:第第一一项项是是信信号号分分子子促促使使凋凋亡基因合成的速率;第二项是凋亡基因自身降解速率。亡基因合成的速率;第二项是凋亡基因自身降解速率。A的的变变化化同同样样由由两两部部分分组组成成:第第一一项项是是细细胞胞产产生生信信号号分分子子的速率;第二项是信号分子自身降解的速率。的速率;第二项是信号分子自身降解的速率。控制群体数量的基因线路的模拟与实验结果图控制群体数量的基因线路的模拟与实验结果图Culture with circuit OFFCulture with circuit ONCFU=colony-forming units(per mL)LacZ ac
9、tivity shows how much killer protein is being expressed Insets show the ON data on a linear scale.改造过的大肠杆菌在凋亡基因的控制下,其细胞改造过的大肠杆菌在凋亡基因的控制下,其细胞的最终浓度比自然生长浓度要小很多,因此模型中的最终浓度比自然生长浓度要小很多,因此模型中N/Nm的值明显小于的值明显小于1,可将其忽略以简化模型。,可将其忽略以简化模型。细细胞胞的的终终浓浓度度与与信信号号分分子子的的降降解解速速率率成成正正比比,而而环环境境中中pH的的变变化化与与信信号号分分子子降降解解的的速速率率
10、的的变变化化满满足足线线性性关关系系,可可以以方方便便地地实实现现细细胞胞密密度度的的人人工工调调控控。同同时时,根根据据模模型型,系系统统稳稳定定状状态态下下1/d=Es/(kN(1-N/Nm)为为定定值值,而而凋亡基因的表达量可以用凋亡基因的表达量可以用LacZ活性来表示。活性来表示。4.6 人工细胞群体图案系统细细胞胞群群体体图图样样系系统统,是是利利用用遗遗传传线线路路对对信信号号浓浓度随距离变化的响应,即遗传线路的时间响应。度随距离变化的响应,即遗传线路的时间响应。S.Basu等等(2005年年)设设计计了了可可以以在在中中心心细细胞胞一一定定范范围内形成发光带的人工细胞群体图案系统
11、。围内形成发光带的人工细胞群体图案系统。由由于于信信号号分分子子扩扩散散作作用用,发发生生器器产产生生的的信信号号分分子子浓浓度度自自发发生生器器细细胞胞向向周周围围称称梯梯度度下下降降分分布布,位位于于不不同同区区域域的的接接收收器器细细胞胞对对不不同同浓浓度度的的信信号号分分子子做做出出不不同同相相应应,表表达达不不同同颜颜色色荧荧光光蛋蛋白白,从从而而形形成成不不同同颜颜色色、不不同同形形状状的的发光带。发光带。人工细胞群体图案系统遗传路线图人工细胞群体图案系统遗传路线图浓浓度度过过高高时时lacI M1基基因因表表达达,产产物物抑抑制制荧荧光光蛋蛋白白的的产产生生,浓浓度度过过低低时时
12、lacI基基因因表表达达,产产物物抑抑制制荧荧光光蛋蛋白白的的产产生生。只只有有当当信信号号分分子子浓浓度度低低于于某某一一上上限限高高于于某某一一下下限限值值时时荧荧光光蛋蛋白白才才会会表表达。达。影响影响AHL信号的信号的质粒粒遗传图野生型质粒pLD质粒pHD质粒浓度上限控制装置控制细胞能够响应的浓度上限控制装置控制细胞能够响应的AHL浓度上限,命名为浓度上限,命名为pHD质粒(包含质粒(包含lacIM1基因);基因);浓度下限控制装置控制细胞能够响应的浓度下限控制装置控制细胞能够响应的AHL浓度下限,命名为浓度下限,命名为pLD质粒(包含质粒(包含lacI基因)。基因)。为了使图案更具多
13、样性,开发了为了使图案更具多样性,开发了3种浓度上限控制装置:种浓度上限控制装置:(1)HD1:将:将luxR基因进行突变改造,改造后的基因进行突变改造,改造后的luxR基基因产生的因产生的LuxR蛋白敏感性较高,能感知相对较低浓蛋白敏感性较高,能感知相对较低浓度的度的AHL分子。分子。(2)HD2:野生型:野生型luxR基因,感知中等浓度的基因,感知中等浓度的AHL分子。分子。(3)HD3:将:将luxR基因转入基因转入E.coli中的低拷贝数质粒,中的低拷贝数质粒,感知相对较低浓度的感知相对较低浓度的AHL分子。分子。数学模型信号接收细胞荧光蛋白在不同信号接收细胞荧光蛋白在不同AHL浓度作
14、用下表达量的仿真和实验图浓度作用下表达量的仿真和实验图A.模拟仿真图;模拟仿真图;B.试验检测图试验检测图(蓝色(蓝色-HD1 细胞;红色细胞;红色-HD2 细胞;黑色细胞;黑色-HD3 细胞)细胞)将将三三种种浓浓度度上上限限控控制制装装置置与与浓浓度度下下限限控控制制装装置置进进行行组组合合,分分别别构构建建了了BD1,BD2,BD3 三三种种不不同同信信号号接收细胞。接收细胞。三类接收细胞模拟机实验结果三类接收细胞模拟机实验结果A.模拟仿真图;模拟仿真图;B.试验检测图试验检测图(蓝色(蓝色-BD1 细胞;红色细胞;红色-BD2 细胞;黑色细胞;黑色-BD3 细胞)细胞)发光系统实验结果
15、图发光系统实验结果图a.可见光下的信号发生细胞培养皿图;可见光下的信号发生细胞培养皿图;b.BD2接红色荧光蛋白、接红色荧光蛋白、BD3接绿色荧光蛋白时在荧光显微镜观察下的放大图;接绿色荧光蛋白时在荧光显微镜观察下的放大图;c.BD2接接红色荧光蛋白、红色荧光蛋白、BD1接绿色荧光蛋白时在荧光显微镜观察下的放接绿色荧光蛋白时在荧光显微镜观察下的放大图。大图。发光系统具有多个信号发生区域时的实验结果图发光系统具有多个信号发生区域时的实验结果图4.7 人工转录级联线路为为了了研研究究级级联联线线路路的的超超敏敏感感性性和和噪噪声声传传播播等等特特性性,普普林林斯斯顿顿大大学学的的S.Hooshan
16、gi 等等(2005年年)构构建建了了人人工三级转录级联线路。工三级转录级联线路。转录级联线路设计转录级联线路设计逻辑关系:1.当当系系统统仅仅由由一一节节级级联联线线路路组组成成时时,aTc信信号号的的加加入入会会与与TetR蛋蛋白白结结合合而而解解除除其其对对Plteto1启启动动子子的的抑抑制制,荧荧光光得得以表达。以表达。2.当当系系统统由由二二阶阶级级联联线线路路组组成成时时,aTc信信号号的的加加入入解解除除了了对对Plteto1启启动动子子的的抑抑制制,启启动动lacI基基因因表表达达产产生生LacI蛋蛋白白抑抑制制Plac启动子,荧光蛋白无法表达。启动子,荧光蛋白无法表达。3.
17、当当系系统统由由三三阶阶级级联联线线路路级级联联组组成成时时,aTc信信号号的的加加入入解解除除了了对对Plteto1启启动动子子的的抑抑制制,启启动动lacI基基因因表表达达产产生生LacI蛋蛋白白使使得得Plac启启动动子子被被抑抑制制,cI基基因因无无法法表表达达,CI蛋蛋白白无无法法产产生生,从从而而使使被被CI蛋蛋白白抑抑制制的的Pro12基基因因的的已已启启动动,荧荧光蛋白表达。光蛋白表达。级联线路的级联线路的aTc输入响应图输入响应图结论:结论:级联线路的阶数越高,响应曲线的超敏感性越明显级联线路的阶数越高,响应曲线的超敏感性越明显。4.8 工程化的支架蛋白之之前前介介绍绍的的各
18、各种种合合成成生生物物系系统统都都是是在在转转录录或或者者翻翻译译水水平平上上通通过过基基因因的的调调控控实实现现特特定定的的功功能能。此此外外,构构建建拥拥有有连连续续复复杂杂关关系系的的蛋蛋白白质质相相互互作作用用系系统统是是合合成成生生物学的又一崭新研究方向。物学的又一崭新研究方向。美美国国加加州州大大学学旧旧金金山山分分校校(UCSF)的的W.A.Lim小小组组利利用用工工程程化化的的合合成成支支架架蛋蛋白白作作为为空空间间上上区区域域化化的的信信号号节节点点,将将基基于于支支架架蛋蛋白白的的反反应应整整合合在在一一起起,得得到到完完全全依依赖赖于于蛋蛋白白质质相相互互作作用用可可重重
19、新新配配置置的的人人工工信信号号通通路路。由由于于蛋蛋白白质质之之间间的的相相互互作作用用不不需需要要转转录录、翻翻译译等等步步骤骤,具具有有更更快快的的信信息息处处理理能能力力,且且耗耗费费的的细细胞胞资资源源少,因此此项研究具有广泛的应用前景。少,因此此项研究具有广泛的应用前景。支支架架蛋蛋白白(scaffolding protein)号号称称分分子子胶胶水水,是是信信号号转转导导系系统统中中存存在在的的一一种种本本身身不不具具备备活活性性的的蛋蛋白白质质。通通常常含含有有多个蛋白质结合域,能同时结合多个蛋白质。多个蛋白质结合域,能同时结合多个蛋白质。细细胞胞中中,构构成成通通路路的的信信
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