CN107937328B - 基于细胞的比较器及应用与细胞计算机 - Google Patents

基于细胞的比较器及应用与细胞计算机 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于细胞的比较器及应用与细胞计算机，涉及细胞计算机技术领域，本发明提供的基于细胞的比较器，可对三种特定物质进行大小比较，其结构包括基因表达抑制系统，启动子及启动子控制的信号输出分子。本发明提供的基于细胞的比较器，利用细胞具备丰富多样的信息处理机制的特点，通过抑制基因表达进行计算，用颜色来表征输入物质的大小，更加直观、准确。同时，本发明提供的基于细胞的比较器，通过更换与输入物质相对应的启动子，即可对其他物质进行大小比较计算，具有使用方便、实用性强的优点。

Description

基于细胞的比较器及应用与细胞计算机
技术领域
本发明涉及细胞计算机技术领域，尤其是涉及一种基于细胞的比较器及应用与细胞计算机。
背景技术
细胞具备丰富多样的信息处理机制，是良好的信息处理器。细胞时刻监控着自身所处的内外环境并做出反应，如自然界中的某些动植物和微生物可感受光照刺激，并以此来控制自身的趋光性、光合作用和保护色的分泌等；某些细胞在接受到某种信号或在特定因素刺激下，会发生主动的、由基因调控的消亡过程。
发展细胞计算机的研究，在以下两方面具有重要意义：首先，细胞计算机可以扩大信息处理范围，细胞能感受光、声、温度、化学物质等多种形式的信息，并能以一定方式如运动、发光、生成新物质等对信息做出反应，可以同自然界直接进行交互，大大拓宽了信息处理的范围，在医疗、环境、农业、能源等领域有很大的应用空间，对普适计算、物联网等领域的发展有极大的推动作用。其次，细胞计算机的研究可以探索新的并行计算方式。细胞具备巨并行性，如果将单个细胞作为处理器，细胞计算可提供惊人的并行性，此外，细胞之间可以相互交流，分工协作，完成并行计算任务。
比较器是一种基本计算部件，对两个或多个数据项进行比较，以确定它们是否相等，或确定它们之间的大小关系。能够实现这种比较功能的电路或装置称为比较器。目前，尚未发现利用细胞的信息处理机制，在细胞内构建的比较器。
有鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明的第一个目的在于提供一种基于细胞的比较器，以缓解现有技术中存在的利用细胞的信息处理机制在细胞内构建比较器的研究空白的技术问题。
本发明的第二个目的在于提供上述比较器的应用。
本发明的第三个目的在于提供一种包括上述比较器的细胞计算机。
本发明提供了一种基于细胞的比较器，所述比较器包括：
基因表达抑制系统，启动子及所述启动子控制的信号输出分子；
所述启动子包括第一启动子和第二启动子，所述信号输出分子包括与所述第一启动子对应的第一信号输出分子和与所述第二启动子对应的第二信号输出分子；
当向所述比较器输入第一物质和第二物质时，所述第一物质启动第一启动子，激活所述基因表达抑制系统，阻碍第二信号输出分子的表达，所述比较器表达第一信号输出分子；
当向所述比较器输入第一物质和第三物质时，所述第一物质启动第一启动子，所述比较器表达第一信号输出分子；
当向所述比较器输入第二物质和第三物质时，所述第二物质启动第二启动子，所述比较器表达第二信号输出分子。
进一步地，所述细胞为E.coli BL21(DE3)菌株细胞。
进一步地，所述第一物质为异丙基-β-D-硫代半乳糖苷；所述第二物质为阿拉伯糖；所述第三物质为脱水四环素。
进一步地，所述第一启动子为T7；所述第二启动子为pBAD。
进一步地，所述信号输出分子为荧光蛋白。
进一步地，所述第一信号输出分子为红色荧光蛋白；所述第二信号输出分子为绿色荧光蛋白。
进一步地，所述基因表达抑制系统为CRISPR/Cas9系统、CRISPR/dCas9系统、FLP重组酶/frt位点系统或Cre重组酶/loxP位点系统中的一种。
本发明还提供了上述的比较器在表征输入物质大小中的应用。
另外，本发明还提供了一种细胞计算机，包括上述的比较器。
本发明提供的基于细胞的比较器，包括基因表达抑制系统，启动子及启动子控制的信号输出分子。本发明提供的比较器，利用细胞丰富多样的信息处理机制，通过抑制基因表达进行计算，用颜色来表征输入物质的大小，更加直观、准确。同时，本发明提供的比较器，通过更换与输入物质相对应的启动子，即可对其他物质进行大小比较计算，具有使用方便、实用性强的优点。
附图说明
图1为本发明实施例1提供的基于细胞的比较器的基因线路的DNA组成示意图；
图2为本发明实施例2提供的基于细胞的比较器的基因线路的DNA组成示意图；
图3为本发明实施例3提供的基于细胞的比较器的基因线路的DNA组成示意图；
图4为本发明实施例4提供的基于细胞的比较器的基因线路的DNA组成示意图。
具体实施方式
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。
术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
本发明提供了一种基于细胞的比较器，用于对三种特定的物质进行大小比较，三种物质分别为：第一物质、第二物质和第三物质，其中，第一物质的值大于第二物质的值大于第三物质的值。在计算过程中，使用者如果不知道上述三种物质的大小，可使用该比较器进行比较；
该比较器包括：
基因表达抑制系统，启动子及所述启动子控制的信号输出分子；
启动子包括第一启动子和第二启动子，信号输出分子包括与所述第一启动子对应的第一信号输出分子和与第二启动子对应的第二信号输出分子；
当向本发明提供的比较器输入第一物质和第二物质时，第一物质启动第一启动子，第二物质启动第二启动子，同时第一启动子激活基因表达抑制系统，阻碍第二信号输出分子的表达，比较器仅表达第一信号输出分子；
当向本发明提供的比较器输入第一物质和第三物质时，第一物质启动第一启动子，比较器表达第一信号输出分子；
当向本发明提供的比较器输入第二物质和第三物质时，第二物质启动第二启动子，比较器表达第二信号输出分子。
在一个优选的实施方式中，第一物质的值大于所述第二物质的值大于所述第三物质的值。其中，物质的值为根据不同的物质种类人为设定的大小不同的数值。
在一个优选的实施方式中，细胞为E.coli BL21(DE3)菌株细胞。
在一个优选的实施方式中，第一物质为异丙基-β-D-硫代半乳糖苷(IPTG)；第二物质为阿拉伯糖(Arabinose)；第三物质为脱水四环素(aTc)。
与输入物质对应地，在本发明中，第一启动子为T7；第二启动子为pBAD。
在一个优选的实施方式中，信号输出分子为荧光蛋白。
其中，第一信号输出分子为红色荧光蛋白(Red Fluorescent Protein，RFP)，显示红色荧光；第二信号输出分子为绿色荧光蛋白(Green Fluorescent Protein，GFP)，显示绿色荧光。
在一个优选的实施方式中，基因表达抑制系统为CRISPR/Cas9系统、CRISPR/dCas9系统、FLP重组酶/frt位点系统或Cre重组酶/loxP位点系统中的一种。
本发明还提供了上述的比较器在表征输入物质大小中的应用。
当输入为IPTG、Arabinose时，显示IPTG的特征颜色红色，指示IPTG＞Arabinose；
当输入为IPTG、aTc时，显示IPTG的特征颜色红色，指示IPTG＞aTc；
当输入为Arabinose、aTc时，显示Arabinose的特征颜色绿色，指示Arabinose＞aTc。
据此，使用者可根据颜色来判断输入物质的大小。
另外，本发明还提供了一种细胞计算机，包括上述的比较器。
本发明提供的基于细胞的比较器，利用细胞具备丰富多样的信息处理机制，通过抑制基因表达进行计算，用颜色来表征输入物质的大小，更加直观、准确。同时，本发明提供的基于细胞的比较器，通过更换与输入物质相对应的启动子，即可对其他物质进行大小比较计算，具有使用方便、实用性强的优点。
为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例对本发明做进一步的说明。
本发明提供的比较器的构建方法为：
1、根据基因线路图组装基因线路
基因线路构建部分的工作为连接基因部件，基因线路中的部件为有功能的DNA片段，DNA连接采用DNA连接酶作为工具，DNA连接酶是一种商业化产品，各公司产品都有对应的使用说明书，按照说明书操作即可。
以实验室常用的NEB T4DNA连接酶为例，连接过程为：
①构建连接体系如下：
试剂 用量(μL)
T4DNA连接酶缓冲液(10×) 2
载体DNA 2
插入DNA 2
T4DNA连接酶 1
ddH2O 13
总计 20
②反应条件
16℃16小时。
③结果检测
将连接产物转化到感受态细胞中，培养，挑单菌落测序验证。
2、将基因线路封装入细胞内
细胞封装是指将构建好的基因线路和质粒载体连接，然后转化入合适的细胞内。质粒载体是一种环状DNA分子，用于运载DNA片段，是一种商业化产品，各公司产品都有对应的使用说明书，按照说明书操作即可。转化是指通过热刺激或电刺激使质粒进入细胞，是分子生物学中的一种成熟技术，实验室中常用热刺激方式，一般具体步骤如下：
1、取感受态细胞一管(100μL)，加入质粒(或连接产物)，冰上放置30分钟；
2、将管放置于42℃水浴中90秒，在冰浴中迅速冷却2分钟；
3、加入100μL LB培养基，37℃培养30分钟；
4、涂板过夜培养，挑单菌落测序验证。
本发明提供的比较器的使用方法为(以判断IPTG和Arabinose大小为例)：
1、将转化入基因线路的细胞加入含LB液体培养基的试管中(标记为试管1)，放入摇床中振荡培养6-8小时；
2、向试管1加入IPTG和Arabinose，将试管1放入摇床中继续振荡培养6-8小时；
3、在荧光显微镜下观测试管1的荧光，记录结果。
其他比较可参照此进行。
实施例1
本实施例提供了一种基于细胞的比较器，包括：
基因表达抑制系统，启动子及启动子控制的信号输出分子；
启动子包括第一启动子和第二启动子，信号输出分子包括与第一启动子对应的第一信号输出分子和与第二启动子对应的第二信号输出分子。
本大小比较器能对三种输入物质比较大小，结果由其特征颜色显示，三种物质及其特征颜色见下表：
物质 值 特征颜色
IPTG(异丙基-β-D-硫代半乳糖苷) 2 红色
Arabinose(阿拉伯糖) 1 绿色
aTc(脱水四环素) 0 蓝色
其中，基因表达抑制系统为CRISPR/Cas9系统；第一物质为IPTG(异丙基-β-D-硫代半乳糖苷)，第二物质为Arabinose(阿拉伯糖)，第三物质为aTc(脱水四环素)；第一启动子为与第一物质对应的T7启动子，第二启动子为与第二物质对应的pBAD启动子；信号输出分子为荧光蛋白，第一信号输出分子为红色荧光蛋白，显示红色荧光，第二信号输出分子为绿色荧光蛋白，显示绿色荧光。
本实施例提供的比较器的功能为：
当输入为IPTG、Arabinose时，显示IPTG的特征颜色红色，指示IPTG＞Arabinose；
当输入为IPTG、aTc时，显示IPTG的特征颜色红色，指示IPTG＞aTc；
当输入为Arabinose、aTc时，显示Arabinose的特征颜色绿色，指示Arabinose＞aTc。
据此，使用者可根据颜色来判断输入物质的大小。
本实施例利用Arabinose和IPTG的调控原理，以及CRISPR/Cas9系统的基因编辑功能，在大肠埃希氏菌(Escherichia coli，E.coli)BL21(DE3)菌株中构建了一个实施例，相关背景知识介绍如下：
①Arabinose调控：E.coli BL21(DE3)菌株能组成性表达AraC蛋白，当细胞中没有Arabinose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Arabinose时，Arabinose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启动子启动后面的基因表达。
②IPTG调控：E.coli BL21(DE3)菌株中，IPTG能诱导T7RNA聚合酶的合成，T7RNA聚合酶能启动T7启动子，从而IPTG可控制T7启动子的启动。
③CRISPR/Cas9(clustered regularly interspaced short palindromicrepeats/CRISPR-associated9system)系统：2012年，在Ⅱ型CRISPR/Cas系统的基础上建立了RNA介导的CRISPR/Cas系统来编辑靶细胞中特定的基因序列，现已在人类细胞、小鼠、斑马鱼、酵母、细菌、果蝇、线虫和拟南芥等生物体中得以应用。该系统由两部分组成：一部分是可以切割基因的Cas9蛋白，另一部分是精确定位的向导RNA(sgRNA)。sgRNA定位后，Cas9蛋白在基因组上形成DNA双链断裂(DSB)，随后细胞借助于自身的修复系统，如非同源末端连接或同源重组等，实现有效的基因组编辑。
本实施例提供的比较器包括两条基因线路，如图1所示。其中，第一条基因线路依次对应T7启动子、sgRNA1、RFP荧光蛋白和结束位点(term)；第二条基因线路依次对应pBAD启动子、GFP荧光蛋白和结束位点(term)。
本基因线路中的sgRNA1应当针对GFP(绿色荧光蛋白)设计。本基因线路的工作菌株应当是能组成性表达Cas9蛋白的E.coli BL21(DE3)菌株。
本实施例计算过程如下：
①输入为IPTG、Arabinose：
IPTG启动T7启动子，生成sgRNA1并同时表达RFP(红色荧光蛋白)，发出红光，Arabinose启动pBAD启动子，但sgRNA1将介导Cas9蛋白定位于GFP基因上，导致双链断裂，形成非同源末端连接，阻碍GFP的表达，因此绿色荧光蛋白无法表达，系统只能发出红光。
②输入为IPTG、aTc：
IPTG启动T7启动子，表达RFP，发出红光。
③输入为Arabinose、aTc：
Arabinose启动pBAD启动子，表达GFP，发出绿光。
其中，物质输入是通过将物质添加至基于细胞的比较器所在的环境中，即细胞培养基中。
综上所述，本实施例提供的基于细胞的比较器，能根据表达荧光的颜色不同，实现输入物质大小的比较。
实施例2
本实施例提供了一种基于细胞的比较器，其构成与本发明实施例1提供的比较器基本相同，不同之处在于：在本实施例中，CRISPR/Cas9系统用DNA定点重组酶系统FLP重组酶/frt位点系统替代。
本实施例提供的比较器包括两条基因线路，如图2所示。其中，第一条基因线路依次对应T7启动子、FLP、RFP荧光蛋白和结束位点(term)；第二条基因线路依次对应pBAD启动子、第一frt位点、GFP荧光蛋白、第二frt位点和结束位点(term)。
本基因线路的工作菌株应当是E.coli BL21(DE3)菌株。
本实施例计算过程如下：
①输入为IPTG、Arabinose：
IPTG启动T7启动子，生成FLP定点重组酶并同时表达RFP(红色荧光蛋白)，发出红光，Arabinose启动pBAD启动子，但FLP定点重组酶与第一frt位点和第二frt位点相结合，根据位点实际方向删除或翻转位于第一frt位点和第二frt位点间的GFP，因此绿色荧光蛋白无法表达，系统只能发出红光。
②输入为IPTG、aTc：
IPTG启动T7启动子，表达RFP，发出红光。
③输入为Arabinose、aTc：
Arabinose启动pBAD启动子，表达GFP，发出绿光。
其中，物质输入是通过将物质添加至基于细胞的比较器所在的环境中，即细胞培养基中。
综上所述，本实施例提供的基于细胞的比较器，能根据表达荧光的颜色不同，实现输入物质大小的比较。
实施例3
本实施例提供了一种基于细胞的比较器，其构成与本发明实施例1提供的比较器基本相同，不同之处在于：在本实施例中，CRISPR/Cas9系统用DNA定点重组酶系统Cre重组酶/loxP位点系统替代。
本实施例提供的比较器包括两条基因线路，如图3所示。其中，第一条基因线路依次对应T7启动子、Cre、RFP荧光蛋白和结束位点(term)；第二条基因线路依次对应pBAD启动子、第一loxP位点、GFP荧光蛋白、第二loxP位点和结束位点(term)。
本基因线路的工作菌株应当是E.coli BL21(DE3)菌株。
本实施例计算过程如下：
①输入为IPTG、Arabinose：
IPTG启动T7启动子，生成Cre定点重组酶并同时表达RFP(红色荧光蛋白)，发出红光，Arabinose启动pBAD启动子，但Cre定点重组酶与第一loxP位点和第二loxP位点相结合，根据位点实际方向删除或翻转位于第一loxP位点和第二loxP位点间的GFP，因此绿色荧光蛋白无法表达，系统只能发出红光。
②输入为IPTG、aTc：
IPTG启动T7启动子，表达RFP，发出红光。
③输入为Arabinose、aTc：
Arabinose启动pBAD启动子，表达GFP，发出绿光。
其中，物质输入是通过将物质添加至基于细胞的比较器所在的环境中，即细胞培养基中。
综上所述，本实施例提供的基于细胞的比较器，能根据表达荧光的颜色不同，实现输入物质大小的比较。
需要说明的是，在本实施例中，loxP位点也可替换为lox71/66位点，即，Cre重组酶/loxP位点系统可替换为Cre重组酶/lox71/66位点系统。
实施例4
本实施例提供了一种基于细胞的比较器，其构成与本发明实施例1提供的比较器基本相同，不同之处在于：在本实施例中，CRISPR/Cas9系统用CRISPR/dCas9基因表达抑制系统替代。
本实施例提供的比较器包括两条基因线路，如图4所示。其中，第一条基因线路依次对应T7启动子、sgRNA2、RFP荧光蛋白和结束位点(term)；第二条基因线路依次对应pBAD启动子、GFP荧光蛋白和结束位点(term)。
本实施例计算过程如下：
①输入为IPTG、Arabinose：
IPTG启动T7启动子，生成sgRNA2并同时表达RFP(红色荧光蛋白)，发出红光，Arabinose启动pBAD启动子，但sgRNA2将介导dCas9蛋白定位于GFP基因上，阻止GFP基因的表达，因此绿色荧光蛋白无法表达，系统只能发出红光。
②输入为IPTG、aTc：
IPTG启动T7启动子，表达RFP，发出红光。
③输入为Arabinose、aTc：
Arabinose启动pBAD启动子，表达GFP，发出绿光。
其中，物质输入是通过将物质添加至基于细胞的比较器所在的环境中，即细胞培养基中。
本基因线路中的sgRNA2应当针对GFP设计，可以与sgRNA1相同，也可不同。本基因线路的工作菌株应当是包含组成性表达dCas9蛋白的E.coli BL21(DE3)菌株。
综上所述，本实施例提供的基于细胞的比较器，能根据表达荧光的颜色不同，实现输入物质大小的比较。
由本发明提供的各实施例可以看出，本发明提供的基于细胞的比较器，利用细胞具备丰富多样的信息处理机制的特点，通过多种基因表达抑制方式进行计算，用颜色来表征输入物质的大小，更加直观、准确。同时，本发明提供的基于细胞的比较器，通过更换与输入物质相对应的启动子，即可对其他物质进行大小比较计算，具有使用方便、实用性强的优点。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各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：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (7)

1.一种基于细胞的比较器，其特征在于，所述比较器包括：
基因表达抑制系统，启动子及所述启动子控制的信号输出分子；
所述启动子包括第一启动子和第二启动子，所述信号输出分子包括与所述第一启动子对应的第一信号输出分子和与所述第二启动子对应的第二信号输出分子；
当向所述比较器输入第一物质和第二物质时，所述第一物质启动第一启动子，激活所述基因表达抑制系统，阻碍第二信号输出分子的表达，所述比较器表达第一信号输出分子；
当向所述比较器输入第一物质和第三物质时，所述第一物质启动第一启动子，所述比较器表达第一信号输出分子；
当向所述比较器输入第二物质和第三物质时，所述第二物质启动第二启动子，所述比较器表达第二信号输出分子；
其中，所述细胞为E.coli BL21(DE3)菌株细胞；
所述信号输出分子为荧光蛋白。
2.根据权利要求1所述的比较器，其特征在于，所述第一物质为异丙基-β-D-硫代半乳糖苷；所述第二物质为阿拉伯糖；所述第三物质为脱水四环素。
3.根据权利要求1所述的比较器，其特征在于，所述第一启动子为T7；所述第二启动子为pBAD。
4.根据权利要求1所述的比较器，其特征在于，所述第一信号输出分子为红色荧光蛋白；所述第二信号输出分子为绿色荧光蛋白。
5.根据权利要求1所述的比较器，其特征在于，所述基因表达抑制系统为CRISPR/Cas9系统、CRISPR/dCas9系统、FLP重组酶/frt位点系统或Cre重组酶/loxP位点系统中的一种。
6.如权利要求1-5任一项所述的比较器在表征输入物质大小中的应用。
7.一种细胞计算机，其特征在于，包括权利要求1-5任一项所述的比较器。
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