CN111560343A - 一种多细胞信号大小比较器以及比较方法和应用 - Google Patents

一种多细胞信号大小比较器以及比较方法和应用 Download PDF

Info

Publication number
CN111560343A
CN111560343A CN202010488427.6A CN202010488427A CN111560343A CN 111560343 A CN111560343 A CN 111560343A CN 202010488427 A CN202010488427 A CN 202010488427A CN 111560343 A CN111560343 A CN 111560343A
Authority
CN
China
Prior art keywords
line
cell
signal
chemical
promoter
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN202010488427.6A
Other languages
English (en)
Other versions
CN111560343B (zh
Inventor
陈梅
程小艳
施娜
韦洁瑶
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Minzu University of China
Original Assignee
Minzu University of China
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Minzu University of China filed Critical Minzu University of China
Priority to CN202010488427.6A priority Critical patent/CN111560343B/zh
Publication of CN111560343A publication Critical patent/CN111560343A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN111560343B publication Critical patent/CN111560343B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12N—MICROORGANISMS OR ENZYMES; COMPOSITIONS THEREOF; PROPAGATING, PRESERVING, OR MAINTAINING MICROORGANISMS; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING; CULTURE MEDIA
    • C12N1/00—Microorganisms, e.g. protozoa; Compositions thereof; Processes of propagating, maintaining or preserving microorganisms or compositions thereof; Processes of preparing or isolating a composition containing a microorganism; Culture media therefor
    • C12N1/20—Bacteria; Culture media therefor
    • C12N1/205—Bacterial isolates
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12R—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBCLASSES C12C - C12Q, RELATING TO MICROORGANISMS
    • C12R2001/00—Microorganisms ; Processes using microorganisms
    • C12R2001/01—Bacteria or Actinomycetales ; using bacteria or Actinomycetales
    • C12R2001/185—Escherichia
    • C12R2001/19—Escherichia coli
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/62—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light
    • G01N21/63—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light optically excited
    • G01N21/64—Fluorescence; Phosphorescence
    • G01N21/6428—Measuring fluorescence of fluorescent products of reactions or of fluorochrome labelled reactive substances, e.g. measuring quenching effects, using measuring "optrodes"

Landscapes

  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Zoology (AREA)
  • Bioinformatics & Cheminformatics (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Genetics & Genomics (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • Wood Science & Technology (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Microbiology (AREA)
  • Biotechnology (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Virology (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • Tropical Medicine & Parasitology (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Medicinal Chemistry (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Nuclear Medicine, Radiotherapy & Molecular Imaging (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Measuring Or Testing Involving Enzymes Or Micro-Organisms (AREA)

Abstract

本发明公开了一种多细胞信号大小比较器以及比较方法和应用，比较器包含四种细菌细胞，第一细胞和第二细胞为接收输入细胞，第三细胞和第四细胞为结果输出细胞；第一细胞对应于第一输入位，第二细胞对应于第二输入位，第三细胞对应于第一输出位，第四细胞对应于第二输出位；第一细胞和第三细胞之间通过第一化学线或第二化学线连通，第二细胞和第三细胞之间通过第二化学线连通，第一细胞和第四细胞之间通过第二化学线连通，第二细胞和第四细胞之间通过第二化学线或第三化学线连通。通过多细胞合作，对两个输入位的输入信号进行大小判断，并能判断两个输入位信号是否相等，可以用于生物计算机等需要进行大小比较的相关应用中。

Description

一种多细胞信号大小比较器以及比较方法和应用
技术领域
本发明涉及细胞计算机技术领域，尤其涉及一种多细胞信号大小比较器以及比较方法和应用。
背景技术
细胞计算部件的构建是目前的热点问题之一。目前，已经成功构建出细胞与、或、非等各类逻辑门以及双稳态开关、存储器、计数器等细胞计算部件。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。
目前的细胞比较器如本发明人在论文发表的“Construction of a geneticcomparator in Escherichia Coli”(Chen Mei，IEEE Access,vol.7,pp.85024-85028,Jun,2019)，又如本发明人此前的专利“基于细胞的比较器及应用与细胞计算机”(公布号CN107937328B)。然而，论文和专利的方案中，比较器的设计思想是为每个待比较信号设立一个特征信号，当两个信号或三个信号同时输入时，只有较大信号或最大信号的特征信号能被表达(较小信号或无自身特征信号相关线路可响应，或自身特征信号表达被较大信号抑制)，据此判断最大信号。其缺点在于：
(1)只有一个细胞接受输入，因此只能对不同信号进行判断，无法判断相同信号(即无法进行相等判断)。如果生物计算机在运行过程中，需要对两个子任务的结果进行大小比较来决定下一步的工作，而该两个任务结果大小相等(为一个信号)时，上述计算部件只能将其作为一个输入，从而发生错误；
(2)使用者在计算前需知道待比较信号种类，如果生物计算机在运行过程中，需要对两个子任务的结果进行大小比较来决定下一步的工作，则使用者需首先鉴定结果的物质种类再进行比较计算，增加了中间步骤。
发明内容
本发明针对上述技术问题，提供一种多细胞信号大小比较器以及包含该多细胞信号大小比较器的细胞计算机，通过多细胞合作，对两个输入位的输入信号进行大小判断，并能判断两个输入位信号是否相等。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
本发明首先提供一种多细胞信号大小比较器，可用于判断第一输入位和第二输入位接收的输入信号的大小关系，第一输入位和第二输入位均可接收第一信号或第二信号，其中，第一信号指代较大信号，第二信号指代较小信号，多细胞信号大小比较器包含四种细菌细胞，分别为第一细胞、第二细胞，第三细胞和第四细胞；其中，第一细胞和第二细胞为接收输入细胞，第三细胞和第四细胞为结果输出细胞；第一细胞对应于第一输入位，第二细胞对应于第二输入位，第三细胞对应于第一输出位，第四细胞对应于第二输出位；第一细胞和第三细胞之间通过第一化学线或第二化学线连通，第二细胞和第三细胞之间通过第二化学线连通，第一细胞和第四细胞之间通过第二化学线连通，第二细胞和第四细胞之间通过第二化学线或第三化学线连通。
运算后，如果第一输出位有指示信号输出，指示第一输入位信号大于第二输入位信号；如果第二输出位有指示信号输出，指示第一输入位信号小于第二输入位信号；如果第一输出位和第二输出位均无指示信号输出，指示第一输入位信号等于第二输入位信号。
具体地，上述的多细胞信号大小比较器中，所述第一细胞的基因线路包括1-1线路和1-2线路，1-1线路包括第一信号启动子、第一化学线和终止子，1-2线路包括第二信号启动子、第二化学线和终止子；所述第二细胞的基因线路包括2-1线路和2-2线路，2-1线路包括第一信号启动子、第三化学线和终止子，2-2线路包括第二信号启动子、第二化学线和终止子；第三细胞的基因线路包括3-1线路和3-2线路，3-1线路包括第一化学线启动子、3-1线路抑制元件、指示信号和终止子，3-2线路包括第二化学线启动子、3-1线路解抑制元件和终止子；第四细胞的基因线路包括4-1线路和4-2线路，4-1线路包括第三化学线启动子、4-1线路抑制元件、指示信号和终止子，4-2线路包括第二化学线启动子、4-1线路解抑制元件和终止子。
上述的多细胞信号大小比较器中，所述第一信号启动子为Plac，所述第二信号启动子为PBAD。
上述的多细胞信号大小比较器中，所述第一化学线启动子为Plas，所述第二化学线启动子Prhl，所述第三化学线启动子为Plux。
上述的多细胞信号大小比较器中，所述第三细胞和第四细胞采用DNA定点重组酶Cre/loxP系统或FLP/frt系统。
上述的多细胞信号大小比较器中，所述指示信号采用绿色荧光蛋白GFP。
上述的多细胞信号大小比较器中，所述细胞采用E.coli菌株细胞。
本发明还提供了上述的多细胞信号大小比较器的比较方法，具体地，在各输入情况下，系统计算过程为：
(1)第一输入位：第一信号，第二输入位：第二信号
第一细胞1-1线路工作，表达第一化学线；第二细胞2-2线路工作，表达第二化学线；第三细胞中的3-2线路中的第二化学线启动子启动表达3-1线路解抑制元件，3-1线路不再受到抑制，在第一化学线作用下，第一化学线启动子启动指示信号表达，第一输出位可检测到指示信号；第四细胞中的4-2线路中的第二化学线启动子启动表达4-1线路解抑制元件，4-1线路不再受到抑制，但因为无第三化学线，第三化学线启动子无法工作，不能启动指示信号表达，第二输出位检测不到指示信号。
系统只有第一输出位有指示信号，指示第一输入位信号>第二输入位信号。
(2)第一输入位：第二信号，第二输入位：第一信号
第一细胞1-2线路工作，表达第二化学线；第二细胞2-1线路工作，表达第三化学线；第三细胞中的3-2线路中的第二化学线启动子启动表达3-1线路解抑制元件，3-1线路不再受到抑制，但因为无第一化学线，第一化学线启动子无法工作，不能启动指示信号表达，第一输出位检测不到指示信号；第四细胞中的4-2线路中的第二化学线启动子启动表达4-1线路解抑制元件，4-1线路不再受到抑制，在第三化学线作用下，第三化学线启动子启动指示信号表达，第二输出位可检测到指示信号。
系统只有第二输出位有指示信号，指示第一输入位信号<第二输入位信号。
(3)第一输入位：第一信号，第二输入位：第一信号
第一细胞1-1线路工作，表达第一化学线；第二细胞2-1线路工作，表达第三化学线；第三细胞中，因为无第二化学线，3-2线路中的第二化学线启动子不启动，不表达3-1线路解抑制元件，3-1线路被3-1线路抑制元件抑制，尽管存在第一化学线，3-1线路依然无法工作，不能启动指示信号表达，第一输出位检测不到指示信号；第四细胞中，因为无第二化学线，4-2线路中的第二化学线启动子不启动，不表达4-1线路解抑制元件，4-1线路被4-1线路抑制元件抑制，尽管存在第三化学线，4-1线路依然无法工作，不能启动指示信号表达，第二输出位检测不到指示信号。
系统第一输出位、第二输出位均检测不到指示信号，指示第一输入位信号＝第二输入位信号。
(4)第一输入位：第二信号，第二输入位：第二信号
第一细胞1-2线路工作，表达第二化学线；第二细胞2-2线路工作，表达第二化学线；第三细胞中的3-2线路中的第二化学线启动子启动表达3-1线路解抑制元件，3-1线路不再受到抑制，但因为无第一化学线，第一化学线启动子无法工作，不能启动指示信号表达，第一输出位检测不到指示信号；第四细胞中的4-2线路中的第二化学线启动子启动表达4-1线路解抑制元件，4-1线路不再受到抑制，但因为无第三化学线，第三化学线启动子无法工作，不能启动指示信号表达，第二输出位检测不到指示信号。
系统第一输出位、第二输出位均检测不到指示信号，指示第一输入位信号＝第二输入位信号。
本发明可用于判断第一输入位和第二输入位接收的两种输入信号的大小关系，本系统可接受的信号用第一信号、第二信号指示，第一信号、第二信号和第一输入位、第二输入位无对应关系。本发明的第一细胞、第二细胞、第三细胞、第四细胞、第一信号、第二信号、第一化学线、第二化学线、第三化学线等均是为了方便说明，不代表具备其他关系。
本发明还提供上述多细胞信号大小比较器的应用，具体可为一种细胞计算机，包括上述的多细胞信号大小比较器。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明通过三种不同的中间信号(第一化学线、第二化学线、第三化学线)组合代替两位输入的各种组合来实现对两个输入位输入信号的大小比较，其原则为：将较小信号转化为第二化学线，将较大信号根据其输入位的区别分别转化为第一化学线(第一输入位)和第三化学线(第二输入位)；对每一输出位细胞，均需在两种信号的中间信号作用下才能表达指示信号，即第一化学线和第二化学线控制第一输出位，第三化学线和第二化学线控制第二输出位。在输入两种信号的情况下(即两输入位信号不同)，由于较大信号根据其输入位的区别分别转化为第一化学线(第一输入位，控制第一输出位)和第三化学线(第二输入位，控制第二输出位)，因此，可通过输出位指示信号判断输入位信号的大小。在输入同种信号的情况下(即两输入位信号相同)，由于每一输出位细胞，均需在两种信号的中间信号作用下才能表达指示信号，单种信号的中间信号不能表达指示信号，因此两个输出位均无指示信号输出。本发明可以用于生物计算机、生物传感器等需要进行大小比较的相关应用中。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明具体实施方式提供的多细胞信号大小比较器总体结构图。
图2为本发明具体实施方式提供的第一细胞的基因线路图。
图3为本发明具体实施方式提供的第二细胞的基因线路图。
图4为本发明具体实施方式提供的第三细胞的基因线路图。
图5为本发明具体实施方式提供的第四细胞的基因线路图。
图6为本发明实施例1提供的第一细胞的基因线路图。
图7为本发明实施例1提供的第二细胞的基因线路图。
图8为本发明实施例1提供的第三细胞的基因线路图。
图9为本发明实施例1提供的第四细胞的基因线路图。
图10为本发明实施例2提供的第一细胞的基因线路图。
图11为本发明实施例2提供的第二细胞的基因线路图。
图12为本发明实施例2提供的第三细胞的基因线路图。
图13为本发明实施例2提供的第四细胞的基因线路图。
具体实施方式
本发明的多细胞信号大小比较器，包括四种细菌细胞，分别为第一细胞、第二细胞，第三细胞和第四细胞，可用于判断第一输入位和第二输入位接收的输入信号的大小关系，第一输入位和第二输入位均可接收第一信号或第二信号，其中，第一信号指代较大信号，第二信号指代较小信号；其中，第一细胞和第二细胞为接收输入细胞，第三细胞和第四细胞为结果输出细胞；第一细胞对应于第一输入位，第二细胞对应于第二输入位，第三细胞对应于第一输出位，第四细胞对应于第二输出位；第一细胞和第三细胞之间通过第一化学线或第二化学线连通，第二细胞和第三细胞之间通过第二化学线连通，第一细胞和第四细胞之间通过第二化学线连通，第二细胞和第四细胞之间通过第二化学线或第三化学线连通。其中，第一细胞、第二细胞，第三细胞和第四细胞的总体结构图如图1所示。
第一细胞的基因线路包括1-1线路和1-2线路，1-1线路包括第一信号启动子、第一化学线和终止子，1-2线路包括第二信号启动子、第二化学线和终止子；第二细胞的基因线路包括2-1线路和2-2线路，2-1线路包括第一信号启动子、第三化学线和终止子，2-2线路包括第二信号启动子、第二化学线和终止子；第三细胞的基因线路包括3-1线路和3-2线路，3-1线路包括第一化学线启动子、3-1线路抑制元件、指示信号和终止子，3-2线路包括第二化学线启动子、3-1线路解抑制元件和终止子；第四细胞的基因线路包括4-1线路和4-2线路，4-1线路包括第三化学线启动子、4-1线路抑制元件、指示信号和终止子，4-2线路包括第二化学线启动子、4-1线路解抑制元件和终止子。
各细胞基因线路图如下：
第一细胞的基因线路图如图2所示。第二细胞的基因线路图如图3所示。第三细胞的基因线路图如图4所示(3-1线路抑制元件不受启动子控制，只有在3-1线路解抑制元件才能解除其对3-1线路的抑制作用)。第四细胞的基因线路图如图5所示(4-1线路抑制元件不受启动子控制，只有在4-1线路解抑制元件才能解除其对4-1线路的抑制作用)。本发明的使用条件：两个输入位必须有输入，且输入必须是本系统所能处理的两种信号中的一种。
在各输入情况下，系统计算过程为：
(1)第一输入位：第一信号，第二输入位：第二信号
第一细胞1-1线路工作，表达第一化学线；第二细胞2-2线路工作，表达第二化学线；第三细胞中的3-2线路中的第二化学线启动子启动表达3-1线路解抑制元件，3-1线路不再受到抑制，在第一化学线作用下，第一化学线启动子启动指示信号表达，第一输出位可检测到指示信号；第四细胞中的4-2线路中的第二化学线启动子启动表达4-1线路解抑制元件，4-1线路不再受到抑制，但因为无第三化学线，第三化学线启动子无法工作，不能启动指示信号表达，第二输出位检测不到指示信号。
系统只有第一输出位有指示信号，指示第一输入位信号>第二输入位信号。
(2)第一输入位：第二信号，第二输入位：第一信号
第一细胞1-2线路工作，表达第二化学线；第二细胞2-1线路工作，表达第三化学线；第三细胞中的3-2线路中的第二化学线启动子启动表达3-1线路解抑制元件，3-1线路不再受到抑制，但因为无第一化学线，第一化学线启动子无法工作，不能启动指示信号表达，第一输出位检测不到指示信号；第四细胞中的4-2线路中的第二化学线启动子启动表达4-1线路解抑制元件，4-1线路不再受到抑制，在第三化学线作用下，第三化学线启动子启动指示信号表达，第二输出位可检测到指示信号。
系统只有第二输出位有指示信号，指示第一输入位信号<第二输入位信号。
(3)第一输入位：第一信号，第二输入位：第一信号
第一细胞1-1线路工作，表达第一化学线；第二细胞2-1线路工作，表达第三化学线；第三细胞中，因为无第二化学线，3-2线路中的第二化学线启动子不启动，不表达3-1线路解抑制元件，3-1线路被3-1线路抑制元件抑制，尽管存在第一化学线，3-1线路依然无法工作，不能启动指示信号表达，第一输出位检测不到指示信号；第四细胞中，因为无第二化学线，4-2线路中的第二化学线启动子不启动，不表达4-1线路解抑制元件，4-1线路被4-1线路抑制元件抑制，尽管存在第三化学线，4-1线路依然无法工作，不能启动指示信号表达，第二输出位检测不到指示信号。
系统第一输出位、第二输出位均检测不到指示信号，指示第一输入位信号＝第二输入位信号。
(4)第一输入位：第二信号，第二输入位：第二信号
第一细胞1-2线路工作，表达第二化学线；第二细胞2-2线路工作，表达第二化学线；第三细胞中的3-2线路中的第二化学线启动子启动表达3-1线路解抑制元件，3-1线路不再受到抑制，但因为无第一化学线，第一化学线启动子无法工作，不能启动指示信号表达，第一输出位检测不到指示信号；第四细胞中的4-2线路中的第二化学线启动子启动表达4-1线路解抑制元件，4-1线路不再受到抑制，但因为无第三化学线，第三化学线启动子无法工作，不能启动指示信号表达，第二输出位检测不到指示信号。
系统第一输出位、第二输出位均检测不到指示信号，指示第一输入位信号＝第二输入位信号。
本发明可用于判断第一输入位和第二输入位接收的两种输入信号的大小关系，本系统可接受的信号用第一信号、第二信号指示，第一信号、第二信号和第一输入位、第二输入位无对应关系。本发明的第一细胞、第二细胞、第三细胞、第四细胞、第一信号、第二信号、第一化学线、第二化学线、第三化学线等均是为了方便说明，不代表具备其他关系。
为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细介绍。
实施例1
本实例用于对第一信号IPTG(异丙基-β-D-硫代半乳糖苷)，第二信号Arabinose(阿拉伯糖)两种信号进行大小比较；采用绿色荧光作为指示信号；采用DNA定点重组酶Cre/loxP系统的翻转功能实现指示信号解抑制/抑制，从而实现对线路的解抑制/抑制。
启动子、化学线和特征信号的选择如下：
第一信号启动子：第一信号IPTG启动的启动子Plac。
第二信号启动子：第二信号Arabinose启动的启动子PBAD。
指示信号：绿色荧光蛋白GFP。
第一化学线：群体感应信号分子3OC12-HSL，其对应基因为LasI,对应启动子为Plas。
第二化学线：群体感应信号分子C4-HSL，其对应基因为RhlI,对应启动子为Prhl。
第三化学线：群体感应信号分子AHL，其对应基因为LuxI,,对应启动子为Plux。
实例一中各细胞基因线路图如图6-9所示。
在各输入情况下，实例一计算过程为：
(1)第一输入位：IPTG，第二输入位：Arabinose
第一细胞1-1线路工作，表达第一化学线3OC12-HSL；第二细胞2-2线路工作，表达第二化学线C4-HSL；第三细胞中的3-2线路中的第二化学线启动子Prhl启动表达Cre重组酶，3-1线路中的GFP翻转为正向，在第一化学线3OC12-HSL作用下，第一化学线启动子Plas启动指示信号GFP表达，第一输出为可检测到绿色荧光；第四细胞中的4-2线路中的第二化学线启动子Prhl启动表达Cre重组酶，4-1线路中的GFP翻转为正向，但因为无第三化学线AHL，第三化学线启动子Plux无法工作，不能启动指示信号GFP表达，第二输出位检测不到绿色荧光。
系统只有第一输出位有绿色荧光，指示第一输入位信号>第二输入位信号。
(2)第一输入位：Arabinose，第二输入位：IPTG
第一细胞1-2线路工作，表达第二化学线C4-HSL；第二细胞2-1线路工作，表达第三化学线AHL；第三细胞中的3-2线路中的第二化学线启动子Prhl启动表达Cre重组酶，3-1线路中的GFP翻转为正向，但因为无第一化学线3OC12-HSL，第一化学线启动子Plas无法工作，不能启动指示信号GFP表达，第一输出位检测不到绿色荧光；第四细胞中的4-2线路中的第二化学线启动子Prhl启动表达Cre重组酶，4-1线路中的GFP翻转为正向，在第三化学线AHL作用下，第三化学线启动子Plux启动指示信号GFP表达，第二输出位可检测到绿色荧光。
系统只有第二输出位有绿色荧光，指示第一输入位信号<第二输入位信号。
(3)第一输入位：IPTG，第二输入位：IPTG
第一细胞1-1线路工作，表达第一化学线3OC12-HSL；第二细胞2-1线路工作，表达第三化学线AHL；第三细胞中，因为无第二化学线C4-HSL，3-2线路中的第二化学线启动子Prhl不启动，不表达Cre重组酶，3-1线路中的GFP保持反向，尽管存在第一化学线3OC12-HSL，仍然不能启动指示信号GFP表达，第一输出位检测不到绿色荧光；第四细胞中，因为无第二化学线C4-HSL，4-2线路中的第二化学线启动子Prhl不启动，不表达Cre重组酶，4-1线路中的GFP保持反向，尽管存在第三化学线AHL，仍然不能启动指示信号GFP表达，第二输出位检测不到绿色荧光。
系统第一输出位、第二输出位均检测不到绿色荧光，指示第一输入位信号＝第二输入位信号。
(4)第一输入位：Arabinose，第二输入位：Arabinose
第一细胞1-2线路工作，表达第二化学线C4-HSL；第二细胞2-2线路工作，表达第二化学线C4-HSL；第三细胞中的3-2线路中的第二化学线启动子Prhl启动表达Cre重组酶，3-1线路中的GFP翻转为正向，但因为无第一化学线3OC12-HSL，第一化学线启动子Plas无法工作，不能启动指示信号GFP表达，第一输出位检测不到绿色荧光；第四细胞中的4-2线路中的第二化学线启动子启动Prhl表达Cre重组酶，4-1线路中的GFP翻转为正向，但因为无第三化学线AHL，第三化学线启动子Plux无法工作，不能启动指示信号GFP表达，第二输出位检测不到绿色荧光。
系统第一输出位、第二输出位均检测不到绿色荧光，指示第一输入位信号＝第二输入位信号。
本实例中，第一、第二细胞应选用或构建能确保PBAD、Plac工作的E.coli菌株或其他菌株。第三细胞应选用或构建能确保Plas、Prhl工作的E.coli菌株或其他菌株。第四细胞应选用或构建能确保Prhl、Plux工作的E.coli菌株或其他菌株。基因线路构建于质粒上，各细胞内不同质粒线路应选择不同抗性作为筛选标志。质粒构建及转化入宿主细胞遵循常规分子克隆操作方法。
具体的基因线路构建部分的工作为按照线路图连接基因元件(即DNA片段，各基因元件DNA序列可在NCBI等数据库中查找)，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。
基因线路构建完成后，将基因线路通过转化封装入细胞内。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：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；将管放置于42℃水浴中90秒，在冰浴中迅速冷却2分钟；加入100μL LB培养基，37℃培养30分钟；涂板过夜培养，挑单菌落测序验证。
本实例的大小比较操作过程如下：
1、将构建好的第一细胞、第二细胞分别接种入含LB液体培养基的试管中(标记为试管1、试管2)，放入摇床中振荡培养6-8小时至OD600为0.6-0.8；
2、试管1、试管2中均加入IPTG和Arabinose，将试管1、试管2放入摇床中继续振荡培养12-16小时，离心取上清液，4℃保存；
3、将构建好的第三细胞、第四细胞分别接种入含LB液体培养基的试管中(标记为试管3、试管4)，放入摇床中振荡培养6-8小时至OD600为0.6-0.8；
4、试管3、试管4中均加入试管1和试管2上清液(按5ML菌液加入1ML试管1上清液和1ML试管2上清液操作)，放入摇床中继续振荡培养12-16小时；
5、在荧光显微镜下观测试管3、试管4的荧光，记录结果。也可采用流式细胞仪等可检测绿色荧光蛋白的设备。
实施例2
将实例1中的Cre/loxP系统用FLP/frt系统取代即可。相应地，各细胞基因线路图如10-13所示。启动子、化学线和特征信号等和结果同时实例1。
本发明的有益效果为：通过三种不同的中间信号(第一化学线、第二化学线、第三化学线)组合代替两位输入的各种组合来实现对两个输入位输入信号的大小比较，其原则为：将较小信号转化为第二化学线，将较大信号根据其输入位的区别分别转化为第一化学线(第一输入位)和第三化学线(第二输入位)。对每一输出位细胞，均需在两种信号的中间信号作用下才能表达指示信号，即第一化学线和第二化学线控制第一输出位，第三化学线和第二化学线控制第二输出位。在输入两种信号的情况下(即两输入位信号不同)，由于较大信号根据其输入位的区别分别转化为第一化学线(第一输入位，控制第一输出位)和第三化学线(第二输入位，控制第二输出位)，因此，可通过输出位指示信号判断输入位信号的大小。在输入同种信号的情况下(即两输入位信号相同)，由于每一输出位细胞，均需在两种信号的中间信号作用下才能表达指示信号，单种信号的中间信号不能表达指示信号，因此两个输出位均无指示信号输出。
本发明可以用于生物计算机、生物传感器等需要进行大小比较的相关应用中。以上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，或者对其中部分技术特征进行等同替换，但这些修改或者替换，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精神和范围。

Claims (9)

1.一种多细胞信号大小比较器，其特征在于，包含四种细菌细胞，分别为第一细胞、第二细胞，第三细胞和第四细胞；其中，第一细胞和第二细胞为接收输入细胞，第三细胞和第四细胞为结果输出细胞；第一细胞对应于第一输入位，第二细胞对应于第二输入位，第三细胞对应于第一输出位，第四细胞对应于第二输出位；第一细胞和第三细胞之间通过第一化学线或第二化学线连通，第二细胞和第三细胞之间通过第二化学线连通，第一细胞和第四细胞之间通过第二化学线连通，第二细胞和第四细胞之间通过第二化学线或第三化学线连通。
2.根据权利要求1所述的多细胞信号大小比较器，其特征在于，所述第一细胞的基因线路包括1-1线路和1-2线路，1-1线路包括第一信号启动子、第一化学线和终止子，1-2线路包括第二信号启动子、第二化学线和终止子；所述第二细胞的基因线路包括2-1线路和2-2线路，2-1线路包括第一信号启动子、第三化学线和终止子，2-2线路包括第二信号启动子、第二化学线和终止子；第三细胞的基因线路包括3-1线路和3-2线路，3-1线路包括第一化学线启动子、3-1线路抑制元件、指示信号和终止子，3-2线路包括第二化学线启动子、3-1线路解抑制元件和终止子；第四细胞的基因线路包括4-1线路和4-2线路，4-1线路包括第三化学线启动子、4-1线路抑制元件、指示信号和终止子，4-2线路包括第二化学线启动子、4-1线路解抑制元件和终止子。
3.根据权利要求2所述的多细胞信号大小比较器，其特征在于，所述第一信号启动子为Plac，所述第二信号启动子为PBAD。
4.根据权利要求2所述的多细胞信号大小比较器，其特征在于，所述第一化学线启动子为Plas，所述第二化学线启动子Prhl，所述第三化学线启动子为Plux。
5.根据权利要求2所述的多细胞信号大小比较器，其特征在于，所述第三细胞和第四细胞的线路抑制、解抑制元件采用DNA定点重组酶Cre/loxP系统或FLP/frt系统。
6.根据权利要求2所述的多细胞信号大小比较器，其特征在于，所述指示信号采用绿色荧光蛋白GFP。
7.根据权利要求2所述的多细胞信号大小比较器，其特征在于，所述细胞采用E.coli菌株细胞。
8.根据权利要求2-7任一项所述的多细胞信号大小比较器的比较方法，其特征在于，
当第一输入位为第一信号，第二输入位为第二信号时：
第一细胞1-1线路工作，表达第一化学线；第二细胞2-2线路工作，表达第二化学线；第三细胞中的3-2线路中的第二化学线启动子启动表达3-1线路解抑制元件，3-1线路不再受到抑制，在第一化学线作用下，第一化学线启动子启动指示信号表达，第一输出位可检测到指示信号；第四细胞中的4-2线路中的第二化学线启动子启动表达4-1线路解抑制元件，4-1线路不再受到抑制，但因为无第三化学线，第三化学线启动子无法工作，不能启动指示信号表达，第二输出位检测不到指示信号；系统只有第一输出位有指示信号，指示第一输入位信号>第二输入位信号；
当第一输入位为第二信号，第二输入位为第一信号时：
第一细胞1-2线路工作，表达第二化学线；第二细胞2-1线路工作，表达第三化学线；第三细胞中的3-2线路中的第二化学线启动子启动表达3-1线路解抑制元件，3-1线路不再受到抑制，但因为无第一化学线，第一化学线启动子无法工作，不能启动指示信号表达，第一输出位检测不到指示信号；第四细胞中的4-2线路中的第二化学线启动子启动表达4-1线路解抑制元件，4-1线路不再受到抑制，在第三化学线作用下，第三化学线启动子启动指示信号表达，第二输出位可检测到指示信号；系统只有第二输出位有指示信号，指示第一输入位信号<第二输入位信号；
当第一输入位为第一信号，第二输入位为第一信号时：
第一细胞1-1线路工作，表达第一化学线；第二细胞2-1线路工作，表达第三化学线；第三细胞中，因为无第二化学线，3-2线路中的第二化学线启动子不启动，不表达3-1线路解抑制元件，3-1线路被3-1线路抑制元件抑制，尽管存在第一化学线，3-1线路依然无法工作，不能启动指示信号表达，第一输出位检测不到指示信号；第四细胞中，因为无第二化学线，4-2线路中的第二化学线启动子不启动，不表达4-1线路解抑制元件，4-1线路被4-1线路抑制元件抑制，尽管存在第三化学线，4-1线路依然无法工作，不能启动指示信号表达，第二输出位检测不到指示信号；系统第一输出位、第二输出位均检测不到指示信号，指示第一输入位信号＝第二输入位信号。
当第一输入位为第二信号，第二输入位为第二信号时：
第一细胞1-2线路工作，表达第二化学线；第二细胞2-2线路工作，表达第二化学线；第三细胞中的3-2线路中的第二化学线启动子启动表达3-1线路解抑制元件，3-1线路不再受到抑制，但因为无第一化学线，第一化学线启动子无法工作，不能启动指示信号表达，第一输出位检测不到指示信号；第四细胞中的4-2线路中的第二化学线启动子启动表达4-1线路解抑制元件，4-1线路不再受到抑制，但因为无第三化学线，第三化学线启动子无法工作，不能启动指示信号表达，第二输出位检测不到指示信号；系统第一输出位、第二输出位均检测不到指示信号，指示第一输入位信号＝第二输入位信号。
9.一种细胞计算机，其特征在于，包括权利要求1-7任一项所述的多细胞信号大小比较器。
CN202010488427.6A 2020-06-02 2020-06-02 一种多细胞信号大小比较器以及比较方法和应用 Active CN111560343B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010488427.6A CN111560343B (zh) 2020-06-02 2020-06-02 一种多细胞信号大小比较器以及比较方法和应用

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010488427.6A CN111560343B (zh) 2020-06-02 2020-06-02 一种多细胞信号大小比较器以及比较方法和应用

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN111560343A true CN111560343A (zh) 2020-08-21
CN111560343B CN111560343B (zh) 2021-02-09

Family

ID=72072511

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202010488427.6A Active CN111560343B (zh) 2020-06-02 2020-06-02 一种多细胞信号大小比较器以及比较方法和应用

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN111560343B (zh)

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH01270267A (ja) * 1988-04-21 1989-10-27 Oki Electric Ind Co Ltd 生体細胞モデル素子
CN101488197A (zh) * 2009-02-19 2009-07-22 北京大学 基于环形dna的图着色计算方法及其dna计算系统
CN105112448A (zh) * 2015-08-21 2015-12-02 同济大学 Stch基因敲除动物模型的构建方法及应用
CN105144204A (zh) * 2012-12-13 2015-12-09 麻省理工学院 基于重组酶的逻辑与存储系统
CN106971237A (zh) * 2017-02-27 2017-07-21 中国水利水电科学研究院 一种基于细菌觅食优化算法的中长期径流预报方法
CN107937328A (zh) * 2017-11-30 2018-04-20 中央民族大学 基于细胞的比较器及应用与细胞计算机
CN109997192A (zh) * 2016-06-15 2019-07-09 哈佛学院董事及会员团体 用于基于规则的基因组设计的方法
CN110288076A (zh) * 2019-07-09 2019-09-27 中央民族大学 指示信号在不同伴随信号下优先级的细菌细胞计算部件

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH01270267A (ja) * 1988-04-21 1989-10-27 Oki Electric Ind Co Ltd 生体細胞モデル素子
CN101488197A (zh) * 2009-02-19 2009-07-22 北京大学 基于环形dna的图着色计算方法及其dna计算系统
CN105144204A (zh) * 2012-12-13 2015-12-09 麻省理工学院 基于重组酶的逻辑与存储系统
CN105112448A (zh) * 2015-08-21 2015-12-02 同济大学 Stch基因敲除动物模型的构建方法及应用
CN109997192A (zh) * 2016-06-15 2019-07-09 哈佛学院董事及会员团体 用于基于规则的基因组设计的方法
CN106971237A (zh) * 2017-02-27 2017-07-21 中国水利水电科学研究院 一种基于细菌觅食优化算法的中长期径流预报方法
CN107937328A (zh) * 2017-11-30 2018-04-20 中央民族大学 基于细胞的比较器及应用与细胞计算机
CN110288076A (zh) * 2019-07-09 2019-09-27 中央民族大学 指示信号在不同伴随信号下优先级的细菌细胞计算部件

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
BENJAMIN H WEINBERG等: "large-scale design of robust genetic circuits with multiple inputs and outputs for mammalian cells", 《NATURE》 *
DOMINIK M WITTMANN等: "Transforming Boolean models to continuous models: methodology and application to T-cell receptor signaling", 《BMC SYSTEMS BIOLOGY》 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN111560343B (zh) 2021-02-09

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Creecy et al. Quantitative bacterial transcriptomics with RNA-seq
Hughes et al. Mapping yeast transcriptional networks
Strigini et al. Ribosomal mutations affecting efficiency of amber suppression
de Bakker et al. CRISPRi-seq for genome-wide fitness quantification in bacteria
Ishihama et al. Intracellular concentrations of 65 species of transcription factors with known regulatory functions in Escherichia coli
Cavassini et al. Evaluation of MRSA-Screen, a simple anti-PBP 2a slide latex agglutination kit, for rapid detection of methicillin resistance in Staphylococcus aureus
Minich et al. High-throughput miniaturized 16S rRNA amplicon library preparation reduces costs while preserving microbiome integrity
De Lay et al. Role of polynucleotide phosphorylase in sRNA function in Escherichia coli
Arita et al. A genome‐scale yeast library with inducible expression of individual genes
Zhao et al. Transcriptional outcomes and kinetic patterning of gene expression in response to NF-κB activation
Yang et al. Prediction and characterization of promoters and ribosomal binding sites of Zymomonas mobilis in system biology era
Janke et al. Pivotal roles of PCNA loading and unloading in heterochromatin function
Xu et al. A plate-based single-cell ATAC-seq workflow for fast and robust profiling of chromatin accessibility
Vyas et al. Snf1 kinases with different β-subunit isoforms play distinct roles in regulating haploid invasive growth
RU2016139287A (ru) Детекция нуклеотидных последовательностей-мишеней с использованием разных температур детекции
Li et al. BK virus encoded microRNAs are present in blood of renal transplant recipients with BK viral nephropathy
Lopez et al. Mapping protein-protein interaction using high-throughput yeast 2-hybrid
Marlowe et al. Application of an rRNA probe matrix for rapid identification of bacteria and fungi from routine blood cultures
CN111560343B (zh) 一种多细胞信号大小比较器以及比较方法和应用
CN105349569A (zh) 一组不同启动子介导的蛋白酶高通量筛选载体及筛选方法
Songia et al. Direct screening of plasma circulating microRNAs
Stellrecht et al. Premarket evaluations of the IMDx C. difficile for Abbott m 2000 assay and the BD Max Cdiff assay
Diao et al. Validation of a metagenomic next-generation sequencing assay for lower respiratory pathogen detection
Metfies et al. Feasibility of transferring fluorescent in situ hybridization probes to an 18S rRNA gene phylochip and mapping of signal intensities
CN110288076B (zh) 指示信号在不同伴随信号下优先级的细菌细胞计算部件

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant