CN106802784B

CN106802784B - 细菌细胞运算器以及细胞计算机

Info

Publication number: CN106802784B
Application number: CN201710023230.3A
Authority: CN
Inventors: 陈梅
Original assignee: Minzu University of China
Current assignee: Minzu University of China
Priority date: 2017-01-12
Filing date: 2017-01-12
Publication date: 2018-03-02
Anticipated expiration: 2037-01-12
Also published as: CN106802784A

Abstract

本发明提供了一种细菌细胞运算器以及细胞计算机，涉及细胞计算机领域，能够进行加法逻辑运算，从而实现了分布式细胞加法器。该细菌细胞运算器，包括第一细胞、第二细胞和第三细胞；第一细胞中包括与门响应器，当向与门响应器同时输入第一输入物质和第二输入物质时，与门响应器输出信号分子；第二细胞中包括信号分子响应器，当信号分子响应器感应到信号分子时，信号分子响应器输出第一输出物质；第三细胞中包括或门响应器和重组酶响应器，当向或门响应器输入第一输入物质或第二输入物质时，或门响应器输出第二输出物质；当重组酶响应器感应到信号分子时，重组酶响应器输出重组酶，重组酶能够抑制或门响应器的输出。

Description

细菌细胞运算器以及细胞计算机

技术领域

本发明涉及细胞计算机领域，尤其是涉及一种细菌细胞运算器以及细胞计算机。

背景技术

细胞计算机的构建是当前的一个研究热点。然而，由于细胞的结构简单，细胞计算机的构建遭遇规模的瓶颈，而构建分布式细胞计算系统是解决这一问题的有效方法。

分布式细胞计算系统利用细胞通信原理实现细胞封装策略，以便于构建执行复杂功能的细胞计算机。图1是细胞封装策略的原理示意图，从图中可以看出，细胞封装策略的核心是将多个功能划分到不同的细胞，每个细胞只实现一个特定功能，通过连接线(化学信号)连接各功能模块组成系统。细胞封装策略的优点包括：(1)功能分布于单个细胞能提高模块复用性并减少构建基因线路时的不可预测性；(2)多层连接可过滤噪音。

分布式细胞计算系统的代表性成就为Tamsir等人2011年利用大肠杆菌构建的多细胞计算系统，该系统能实现所有的双输入单输出逻辑运算。但是，目前分布式细胞计算系统还处于萌芽状态，科学家构建的分布式细胞计算系统的功能还非常有限。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种细菌细胞运算器以及细胞计算机，能够进行加法逻辑运算，从而实现了分布式细胞加法器。

第一方面，本发明提供了一种细菌细胞运算器，包括第一细胞、第二细胞和第三细胞；

所述第一细胞中包括与门响应器，当向所述与门响应器同时输入第一输入物质和第二输入物质时，所述与门响应器输出信号分子；

所述第二细胞中包括信号分子响应器，当所述信号分子响应器感应到所述信号分子时，所述信号分子响应器输出第一输出物质；

所述第三细胞中包括或门响应器和重组酶响应器，当向所述或门响应器输入第一输入物质或第二输入物质时，所述或门响应器输出第二输出物质；当所述重组酶响应器感应到所述信号分子时，所述重组酶响应器输出重组酶，所述重组酶能够抑制所述或门响应器的输出。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第一种可能的实施方式，其中，所述第一细胞、所述第二细胞和所述第三细胞均为E.coli BL21菌株细胞。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第二种可能的实施方式，其中，所述第一输入物质为阿拉伯糖，所述第二输入物质为异丙基-β-D-硫代吡喃半乳糖苷。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第三种可能的实施方式，其中，所述信号分子为细菌群体感应信号分子。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第四种可能的实施方式，其中，所述细菌群体感应信号分子为N-酰基高丝氨酸内酯。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第五种可能的实施方式，其中，所述第三细胞中的基因线路上包括两个DNA定点重组酶位点，且所述或门响应器的DNA片段位于所述两个DNA定点重组酶位点之间；

所述重组酶为DNA定点重组酶，能够抑制所述两个DNA定点重组酶位点之间的DNA片段发挥作用。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第六种可能的实施方式，其中，所述DNA定点重组酶为FLP重组酶，所述DNA定点重组酶位点为FRT位点。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第七种可能的实施方式，其中，所述DNA定点重组酶为Cre重组酶；

所述DNA定点重组酶位点为LoxP位点，或者所述DNA定点重组酶位点为Lox71位点和Lox66位点。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第八种可能的实施方式，其中，所述第一输出物质为红色荧光蛋白，所述第二输出物质为绿色荧光蛋白。

第二方面，本发明实施例还提供一种细胞计算机，包括若干上述的细菌细胞运算器。

本发明带来了以下有益效果：本发明提供的细菌细胞运算器中包括三个细胞，并且利用了两种输入物质和两种输出物质。

当细菌细胞运算器所在的环境中，两种输入物质都不存在时，第一细胞中的与门响应器不工作，不输出信号分子，因而第二细胞中的信号分子响应器也不工作，不会输出第一输出物质。第三细胞中的或门响应器也不工作，不输出第二输出物质。此时，相当于两个输入为0，两个输出为0，即0+0＝00。

当向细菌细胞运算器所在的环境中，添加两种输入物质中的一种时，第一细胞中的与门响应器不工作，不输出信号分子，因而第二细胞中的信号分子响应器也不工作，不会输出第一输出物质。第三细胞中的或门响应器被激发，输出第二输出物质。此时，相当于两个输入为0、1或1、0，第一输出为0，第二输出为1，即0+1＝01或1+0＝01。

当向细菌细胞运算器所在的环境中，添加两种输入物质时，第一细胞中的与门响应器工作，输出信号分子，因而第二细胞中的信号分子响应器工作，输出第一输出物质。第三细胞中的重组酶响应器工作，生成重组酶，而重组酶会抑制或门响应器的输出，导致不输出第二输出物质。此时，相当于两个输入为1，第一输出为1，第二输出为0，即1+1＝10。

因此，采用本发明提供的细菌细胞运算器，能够通过两种输入物质及两种输出物质，进行二进制数的加法逻辑运算，从而实现了分布式细胞加法器。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有的细胞封装策略的原理示意图；

图2为本发明实施例一提供的细菌细胞运算器的示意图；

图3为本发明实施例一提供的细菌细胞运算器中第一细胞的基因线路的DNA组成的示意图；

图4为本发明实施例一提供的细菌细胞运算器中第二细胞的基因线路的DNA组成的示意图；

图5为本发明实施例一提供的细菌细胞运算器中第三细胞的基因线路的DNA组成的示意图；

图6为本发明实施例二提供的细菌细胞运算器中第三细胞的基因线路的DNA组成的示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一：

如图2所示，本发明实施例提供一种细菌细胞运算器，包括第一细胞10、第二细胞20和第三细胞30。

其中，第一细胞10中包括与门响应器101。当向与门响应器101同时输入第一输入物质和第二输入物质时，与门响应器101输出信号分子。

第二细胞20中包括信号分子响应器201。当信号分子响应器201感应到信号分子时，信号分子响应器201输出第一输出物质。

第三细胞30中包括或门响应器301和重组酶响应器302。当向或门响应器301输入第一输入物质或第二输入物质时，或门响应器301输出第二输出物质。当重组酶响应器302感应到信号分子时，重组酶响应器302输出重组酶，重组酶能够抑制或门响应器301的输出。

本发明实施例提供的细菌细胞运算器中包括三个细胞，并且利用了两种输入物质和两种输出物质。

当细菌细胞运算器所在的环境中，两种输入物质都不存在时，第一细胞10中的与门响应器101不工作，不输出信号分子，因而第二细胞20中的信号分子响应器201也不工作，不会输出第一输出物质。第三细胞30中的或门响应器301也不工作，不输出第二输出物质。此时，相当于两个输入为0，两个输出为0，即0+0＝00。

当向细菌细胞运算器所在的环境中，添加两种输入物质中的一种时，第一细胞10中的与门响应器101不工作，不输出信号分子，因而第二细胞20中的信号分子响应器201也不工作，不会输出第一输出物质。第三细胞30中的或门响应器301被激发，输出第二输出物质。此时，相当于两个输入为0、1或1、0，第一输出为0，第二输出为1，即0+1＝01或1+0＝01。

当向细菌细胞运算器所在的环境中，添加两种输入物质时，第一细胞10中的与门响应器101工作，输出信号分子，因而第二细胞20中的信号分子响应器201工作，输出第一输出物质。第三细胞30中的重组酶响应器302工作，生成重组酶，而重组酶会抑制或门响应器301的输出，导致不输出第二输出物质。此时，相当于两个输入为1，第一输出为1，第二输出为0，即1+1＝10。

因此，采用本发明实施例提供的细菌细胞运算器，能够通过两种输入物质及两种输出物质，进行二进制数的加法逻辑运算，从而实现了分布式细胞加法器。

本发明实施例提供的细菌细胞运算器中的化学线，主要利用了群体感应原理。细菌通过分泌一种或者几种小分子量的化学信号分子相互交流，协调群体行为，这一现象被称为群体感应。群体感应现象最早发现存在于海洋中的一种发光费氏弧菌中，费氏弧菌定殖于夏威夷鱿鱼的发光器官内，当细菌达到一定的密度后，就会诱导发光基因的表达。细菌的生物发光为鱿鱼提供光源，掩盖其影子来保护自身，同时，细菌也获得一个合适的栖息场所。

费氏弧菌的群体感应系统包含LuxI蛋白和LuxR蛋白两种组分。LuxI蛋白是自体诱导物合成酶，能够合成信号分子AHL，LuxR蛋白是细胞质内自体诱导物感受因子，同时也是一种DNA结合转录激活元件，AHL扩散到细胞外后，随着细胞密度的增加而积累，当这种信号密度积累到临界密度时就与LuxR蛋白结合，结合后的复合物能激活荧光素酶基因转录。

作为一个优选方案，本实施例中的第一细胞10和第三细胞30选用为E.coli BL21(DE3)菌株细胞，第二细胞20可以选用E.coli BL21(DE3)菌株细胞，也可以选用其他E.coli菌株。

本实施例中，第一输入物质为阿拉伯糖，第二输入物质为异丙基-β-D-硫代吡喃半乳糖苷(IPTG)，信号分子为细菌群体感应信号分子，优选为N-酰基高丝氨酸内酯(AHL)。

此外，本实施例中的第一输出物质为红色荧光蛋白(Red Fluorescent Protein，RFP)，第二输出物质为绿色荧光蛋白(Green Fluorescent Protein，GFP)。选用红色荧光蛋白和绿色荧光蛋白作为两种输出物质，能够清晰的观察到细菌细胞运算器的输出情况。

进一步，第三细胞30中的基因线路上包括两个DNA定点重组酶位点，对应于重组酶，并且或门响应器301的DNA片段位于两个DNA定点重组酶位点之间。重组酶为DNA定点重组酶，能够抑制两个DNA定点重组酶位点之间的DNA片段发挥作用。本实施例中的DNA定点重组酶为FLP(Flippase Recombination Enzyme)重组酶，重组位点为FRT(FLPRecombination Target)位点。

本方案利用阿拉伯糖、IPTG和AHL的调控原理，以及DNA定点重组酶FLP的编辑功能，在E.coli BL21(DE3)菌株中构建了一个实施例，相关原理如下：

阿拉伯糖调控：E.coli BL21(DE3)菌株能组成性表达AraC蛋白，当细胞中没有阿拉伯糖时，AraC蛋白在DNA上形成一个很大的环，这个环阻止了RNA聚合酶启动转录，pBAD启动子无法表达后面的基因。当细胞中存在阿拉伯糖时，阿拉伯糖能与AraC蛋白结合，使得两个AraC蛋白都结合在启动子附近，DNA环打开，RNA聚合酶启动转录，pBAD启动子能够启动后面的基因表达。

IPTG调控：E.coli BL21(DE3)菌株中，IPTG能诱导T7 RNA聚合酶的合成，T7 RNA聚合酶能启动T7启动子，因而IPTG可控制T7启动子的启动。

AHL调控：LuxI蛋白是自体诱导物合成酶，能够合成信号分子AHL，LuxR蛋白是细胞质内自体诱导物感受因子，能抑制Prlux启动子，与AHL结合后，解除对Prlux启动子的抑制，使得Prlux启动子能启动后面基因的表达。

重组酶FLP：DNA定点重组酶FLP能识别FRT位点，并删除两个同向FRT位点间的DNA片段。

因此，本实施例中以阿拉伯糖作为第一输入物质，IPTG作为第二输入物质，红色荧光蛋白作为第一输出物质，绿色荧光蛋白作为第二输出物质。而选用E.coli BL21(DE3)菌株作为第一细胞10和第三细胞30，能够组成性表达AraC蛋白和T7 RNA聚合酶，因此阿拉伯糖调控和IPTG调控能起作用。

本发明实施例提供的细菌细胞运算器中，各个细胞的基因线路原理如下：

如图3所示，第一细胞中包括两条基因线路，作为与门响应器。其中一条基因线路中依次对应pBAD启动子、taRNA、结束位点(term)，另一条基因线路中依次对应T7启动子、crRNA、核糖体结合位点(ribosomebindingsite，简称RBS)、LuxI、term。

阿拉伯糖控制pBAD启动子，IPTG控制T7启动子，只有阿拉伯糖和IPTG同时存在时，LuxI基因才能表达，生成AHL。与门响应器采用Riboswitch与门，工作原理可参考《基于Riboswitch的细胞与门构建》，北京大学学报(自然科学版)，第50卷，第3期，2014年5月，411-415。

如图4所示，第二细胞中包括一条基因线路，作为信号分子响应器，其基因线路中依次对应Prlux启动子、RBS、RFP、term、Plux启动子、RBS、LuxR、term。

Plux为组成型启动子，表达LuxR蛋白，LuxR蛋白和AHL结合后，解除对Prlux启动子的抑制作用，使得RFP基因表达，生成红色荧光蛋白，发出红光。

如图5所示，第三细胞中包括两条基因线路，分别作为重组酶响应器和或门响应器。作为重组酶响应器的基因线路中依次对应Prlux启动子、RBS、FLP、term、Plux启动子、RBS、LuxR、term，作为或门响应器的基因线路中依次对应FRT位点、pBAD启动子、RBS、GFP、term、T7启动子、RBS、GFP、term、FRT位点(两位点应同向)。

pBAD启动子和T7启动子分别控制一个GFP基因的表达，因此，在只有阿拉伯糖或IPTG之一存在的情况下，GFP基因均能够表达，均可观察到绿色荧光。另一方面，Plux为组成型启动子，表达LuxR蛋白，LuxR蛋白和AHL结合后，解除对Prlux启动子的抑制作用，使得DNA定点重组酶FLP表达，而FLP将删除两个FRT位点之间的片段，导致GFP基因无法表达，不能观察到绿色荧光。

本发明实施例提供的细菌细胞运算器中，不同输入情况下的运算过程如下：

①0+0情况，细菌细胞运算器所在的环境中不存在阿拉伯糖和IPTG：

第一细胞中，LuxI基因不表达，不生成AHL。

第二细胞中，Plux启动子表达LuxR基因，生成LuxR蛋白。Prlux启动子被LuxR蛋白抑制不工作，RFP基因不表达，无红色荧光，第一输出为0。

第三细胞中，Plux启动子表达LuxR基因，生成LuxR蛋白。Prlux启动子被LuxR蛋白抑制不工作，DNA重组酶FLP基因不表达。pBAD启动子和T7启动子均不工作，GFP基因不表达，无绿色荧光，第二输出为0。

因此，0+0＝00。

②1+0情况，向细菌细胞运算器所在的环境中加入阿拉伯糖：

第一细胞中，LuxI基因不表达，不生成AHL。

第三细胞中，Plux启动子表达LuxR基因，生成LuxR蛋白。Prlux启动子被LuxR抑制不工作，DNA重组酶FLP基因不表达。pBAD启动子工作，GFP基因表达，发出绿色荧光，第二输出为1。

因此，1+0＝01。

③0+1情况，向细菌细胞运算器所在的环境中加入IPTG：

第一细胞中，LuxI基因不表达，不生成AHL。

第三细胞中，Plux启动子表达LuxR基因，生成LuxR蛋白。Prlux启动子被LuxR抑制不工作，DNA定点重组酶FLP基因不表达。T7启动子工作，GFP基因表达，发出绿色荧光，第二输出为1。

因此，0+1＝01。

④1+1情况，向细菌细胞运算器所在的环境中同时加入阿拉伯糖和IPTG：

第一细胞中，LuxI基因表达，生成AHL。

第二细胞中，LuxR蛋白和AHL结合，解除对Prlux启动子的抑制作用，使得RFP基因表达，发出红色荧光，第一输出为1。

第三细胞中，LuxR蛋白和AHL结合，解除对Prlux启动子的抑制作用，使得DNA重组酶FLP基因表达。FLP将删除两个FRT位点之间的DNA片段，GFP基因被删除，无绿色荧光，第二输出为0。

因此，1+1＝10。

综上所述，采用本发明实施例提供的细菌细胞运算器，能够利用阿拉伯糖和IPTG作为输入物质，利用红色荧光蛋白和绿色荧光蛋白作为输出物质，进行二进制数的加法逻辑运算，从而实现了分布式细胞加法器。

由于细胞具有的简单性，细胞中能引入的元件数目有限，以启动子数表征部件规模的话，一个细胞中一般最多只能引进4个启动子，这一限制使得大部分部件缺乏可扩充性。而在本发明实施中，进位细胞(第二细胞)中只需引入两个启动子，留下了插入其他元件的余地，有利于将该加法器应用到其他大型部件中去，因此具有很强的可扩充性。

另外，在生物计算机的构建中，可利用的成熟的元件不多，本发明实施利用细胞封装策略，实现了元件复用(很多元件可在不同细胞中同时使用)，节约了元件种类，因此具备易实现性。

本发明的输入输出利用了基因的模块化特性，可根据需要自由更换，便于应用于更复杂的系统中。

实施例二：

本发明实施例提供一种细菌细胞运算器，其中构成与实施例一基本相同，其不同点在于：本实施例中，第三细胞中的DNA定点重组酶采用Cre重组酶，相应的DNA定点重组酶位点采用LoxP位点，或者，两个DNA定点重组酶位点分别为Lox71位点和Lox66位点。

如图6所示，本实施例的第三细胞中包括两条基因线路，分别作为重组酶响应器和或门响应器。作为重组酶响应器的基因线路中依次对应Prlux启动子、RBS、Cre、term、Plux启动子、RBS、LuxR、term，作为或门响应器的基因线路中依次对应LoxP位点、pBAD启动子、RBS、GFP、term、T7启动子、RBS、GFP、term、LoxP位点(两个位点同向)。

Plux为组成型启动子，表达LuxR蛋白，LuxR蛋白和AHL结合后，解除对Prlux启动子的抑制作用，使得Cre重组酶表达，而Cre重组酶将删除两个同向LoxP位点之间的片段，导致GFP基因无法表达，不能观察到绿色荧光。

此外，LoxP位点也可以替换为Lox71、Lox66位点，均可以与Cre重组酶发生相同的反应，删除相应的DNA片段。

实施例三：

本发明实施例提供一种细胞计算机，包括若干上述实施例一或实施例二提供的细菌细胞运算器。在该细胞计算机中，上述实施例提供的分布式细胞加法器，可以与其他类型的细胞运算器相配合，实现更为复杂的运算功能。

本发明实施例提供的细胞计算机，与上述实施例提供的细菌细胞运算器具有相同的技术特征，所以也能解决相同的技术问题，达到相同的技术效果。

此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims

1.一种细菌细胞运算器，其特征在于，包括第一细胞、第二细胞和第三细胞；

2.根据权利要求1所述的细菌细胞运算器，其特征在于，所述第一细胞、所述第二细胞和所述第三细胞均为E.coli BL21菌株细胞。

3.根据权利要求1所述的细菌细胞运算器，其特征在于，所述第一输入物质为阿拉伯糖，所述第二输入物质为异丙基-β-D-硫代吡喃半乳糖苷。

4.根据权利要求3所述的细菌细胞运算器，其特征在于，所述信号分子为细菌群体感应信号分子。

5.根据权利要求4所述的细菌细胞运算器，其特征在于，所述细菌群体感应信号分子为N-酰基高丝氨酸内酯。

6.根据权利要求4所述的细菌细胞运算器，其特征在于，所述第三细胞中的基因线路上包括两个DNA定点重组酶位点，且所述或门响应器的DNA片段位于所述两个DNA定点重组酶位点之间；

7.根据权利要求6所述的细菌细胞运算器，其特征在于，所述DNA定点重组酶为FLP重组酶，所述DNA定点重组酶位点为FRT位点。

8.根据权利要求6所述的细菌细胞运算器，其特征在于，所述DNA定点重组酶为Cre重组酶；

9.根据权利要求1至8任一项所述的细菌细胞运算器，其特征在于，所述第一输出物质为红色荧光蛋白，所述第二输出物质为绿色荧光蛋白。

10.一种细胞计算机，其特征在于，包括若干如权利要求1至9任一项所述的细菌细胞运算器。