تجميع الدوائر من المفاتيح البيولوجية

← المقالة السابقة في الدورة

إن منطق تضمين العوامل المؤدية لمسارات التمثيل الغذائي المختلفة في E. coli قريب من العناصر AND و OR. لذلك ، بناءً على ذلك ، يمكنك إنشاء بنية جينية تنفذ مخططًا منطقيًا عشوائيًا (ليس معقدًا جدًا). هناك برامج ، على سبيل المثال ، Cello ، والتي ، من وصف المنطق في Verilog ، تصنع تسلسلًا من بنية الجين التي تنفذ هذا المنطق.

وتبين أن المشكلة العكسية أكثر صعوبة: الحصول على وصف لمنطق تنظيمها من تسلسل الحمض النووي الطبيعي. دعونا نبدأ بحالات بسيطة حيث لا توجد حلقات تغذية مرتدة معقدة ودمج العديد من الإشارات على أوبرا واحدة. تقريبا كل تنظيم لجينات الإشريكية القولونية يفي بهذه الشروط. إذا أخذنا جميع الروابط التنظيمية المعروفة بين جينات Escherichia coli وقمنا ببناء شبكة منهم ، فيمكننا حساب إحصائيات "دوافع" هذه الشبكة (طرق توصيل العناصر) واختيار أكثرها استخدامًا.

ديناميات تبديل الجينات

في المقالة الأخيرة ، قمنا بنمذجة عمل أوبرا اللاكتوز بنموذج بسيط بأربع معلمات. لم يكن الوقت جزءًا من هذا النموذج. لذلك ، فإنه ، في الواقع ، يصف حالة التوازن فقط ، عندما تظل مستويات إشارة الإدخال ثابتة لفترة طويلة. لنمذجة العمليات السريعة عند تشغيل الجينات وإيقافها ، يجب مراعاة عوامل إضافية.

أولاً ، هناك تأخير في النسخ: من بداية عمل بوليميراز الرنا حتى نهاية توليف مرنا ، ثم تمر البروتينات ، يمر وقت ملحوظ ، حوالي 10 دقائق في الإشريكية القولونية ومن ساعة أو أكثر في البشر. لذلك ، لا يعتمد معدل ظهور جزيئات البروتين الجديدة على حالة المروج لجينها الآن ، ولكن على حالة المروج قبل بضع دقائق.

ثانيًا ، لا يتم تصنيع كل بروتين فحسب ، بل يتم تكسيره أيضًا. في أبسط الحالات ، لا يتم التحكم في انهيار البروتين وكل دقيقة يتم كسر جزء ثابت من جزيئات هذا البروتين في الخلية. كلما زاد عددهم ، انفصلوا أكثر. أي أن البروتين له نصف عمر ، ينخفض ​​فيه تركيزه بمقدار النصف.


لوصف ديناميات تشغيل الجين وإيقافه ، نحتاج إلى كتابة اختلاف:

$$

$$\frac{d[]}{dt} = A(t-tau) – k * []$$

حيث A هو نشاط الجين (نفس وظيفة الإدخال من المقالة السابقة) ، tau هو وقت التأخير النسخي ، و k هو معدل انهيار البروتين. إذا كان A يساوي الصفر أولاً ، ثم يرتفع فجأة ويحافظ على مستوى ثابت ، فستبدو التغييرات في كمية البروتين بمرور الوقت كما يلي:

الدوافع في شبكات الجينات ووظائفها

تتكون أبسط سمة من سمات Escherichia coli - حلقة التغذية المرتدة - من جين واحد ينظم نفسه. في أغلب الأحيان ، يكون الجين مقمعًا لنفسه ، أي أن التغذية المرتدة في الحلقة سلبية. إذا كان هذا هو المدخل التنظيمي الرئيسي ، فإن هذه التغذية المرتدة عادة ما تعمل على تثبيت مستوى البروتين المشفر بواسطة الجين. مثل حلقة التغذية المرتدة ، على سبيل المثال ، تحافظ على مستوى ثابت من مثبط اللاكتوز في الخلية. إذا كانت هناك مدخلات تنظيمية أخرى ، بالإضافة إلى ردود الفعل السلبية ، ثم تسرع التغذية المرتدة الاستجابة الجينية لإشارة خارجية.


(الخطوط المتقطعة هي منحنيات نظرية ، الخطوط الصلبة هي نتيجة التجربة. خطوط خضراء ذات ردود فعل سلبية ، خطوط زرقاء بدونها)

عادة ما تؤدي الملاحظات الإيجابية (البروتين ينشط جيناته الخاصة) إلى تحفيز السلوك. مثل هذا الجين له حالتان مستقرتان: إما أنه لا يعمل على الإطلاق ، أو يعمل بكامل طاقته. يمكن للإشارة الخارجية القوية والقصيرة أن تنقل الجين من حالة مستقرة إلى أخرى تظل فيه حتى الإشارة التالية. يمكن أن يكون هذا الدافع بمثابة عنصر من عناصر الذاكرة. إذا قام الجين "بإمساك" ضوضاء على المدخلات التنظيمية ، فإن ردود الفعل الإيجابية ستؤدي إلى انتشار قوي في نشاط الجينات بين الخلايا المجاورة التي تنمو في ظل نفس الظروف. يستخدم هذا للحفاظ على عدم تجانس البكتيريا التي تنمو معًا بحيث لا يقتل الإجهاد المفاجئ الجميع في وقت واحد.

على سبيل المثال ، تتداخل العديد من المضادات الحيوية مع تخليق البروتين. إذا لم تنمو الخلية ولا تقوم بتوليف البروتينات ، فيمكنها بسهولة النجاة من إضافة المضادات الحيوية إلى الوسط والعودة إلى النمو لاحقًا. في الإشريكية القولونية ، حتى في الظروف المثالية ، تصل نسبة 0.01٪ من الخلايا في حالة السبات هذه في حالة التسمم المفاجئ للبيئة. لا تختلف هذه الخلايا الخاملة (تسمى "الثوابت") عن بقية الحمض النووي ؛ فهي تدخل وتخرج من السبات تحت سيطرة الجين مع ردود فعل إيجابية ومدخلات ضوضاء.

هناك شكل آخر شائع للشبكات الجينية أكثر تعقيدًا بعض الشيء. ويطلق عليها "حلقة التغذية إلى الأمام" وتتكون من ثلاثة جينات: ينظم الجين X الجينات Y و Z ، وينظم الجين Y Z. يمكن أن يكون كل من الروابط الثلاثة في الحلقة التنشيط أو القمع ، وبالتالي ، من حيث المبدأ ، يمكن 8 أنواع مثل هذه الحلقات. في الواقع ، عادة ما يتم العثور على نوعين من ثمانية: إما الجين X و Y من المنشطات (النوع 1 حلقة متماسكة) ، أو X هو المنشط Y و Z ، Y هو المكثف Z (النوع 1 حلقة غير متماسكة).


يعتمد سلوك الحلقة مع اثنين من المنشطات على منطق تفاعل المدخلات على Z. إذا كان الجين الناتج يعمل مثل AND في الحلقة ، فإن الحلقة تعمل كمرشح تمرير منخفض لا يسمح بنبضات قصيرة بالمرور إلى الإخراج. لكي تظهر إشارة الخرج في مثل هذه الحلقة ، يجب أن يتلقى الإدخال (X) إشارة طويلة بما يكفي لتراكم البروتين X ، ثم البروتين Y. فقط يعمل الإجراء المشترك للبروتينات X و Y على تشغيل الجين Z.



إذا كان الجين Z يعمل مثل OR ، فإن وظيفة الحلقة يصبح العكس: يمرر كل النبضات إلى الإخراج ، ويتحول إلى نبضات قصيرة. لكنها لا تفوت فترات التوقف القصيرة بين النبضات.

تعمل الحلقة المباشرة مع المنشط X والضاغط Y كمرشح تمرير عالي. ينتج نبضات ذات طول ثابت صغير (يساوي التأخير النسخي للجين Y) عند الإخراج استجابة للحواف الأمامية لإشارات الإدخال.

الدافع المتكرر الثالث في الشبكات الجينية لمرض الإشريكية القولونية هو وحدة إدخال واحدة. إنها ببساطة مجموعة من الجينات مدفوعة بنفس الجين التنظيمي. عادة ، يكون للجينات في هذه المجموعة عتبات تنشيط مختلفة ، لذلك فإن الزيادة السهلة في تركيز عامل النسخ تشمل الجينات بترتيب معين. يتم استخدام هذا المخطط ، على سبيل المثال ، في إدارة الاستجابات للضغوط.



الدافع الرابع والأكثر تعقيدًا هو وحدة الإدخال المتعدد ، أو النظام المتداخل الكثيف. وتتكون من عدة جينات تنظيمية تتحكم في العديد من جينات "المخرجات".


اعتمادًا على منطق التنظيم لكل جين إنتاج ، يمكن أن يعمل هذا الدافع بشكل مختلف تمامًا. يمكن مقارنته بتجميع العناصر المنطقية ، والتي يمكن أن تكون وحدة فك ترميز أو عداد أو أي شيء آخر ، اعتمادًا على الاتصالات. الأوصاف الكاملة لمنطق عمل هذه الدوافع غير موجودة بعد.

مع هذه الدوافع الأربعة ، يتم استنفاد بنية شبكات الجينات من Escherichia coli أو الخميرة عمليا. على أساسها ، يتم بالفعل تنفيذ مخططات اصطناعية مختلفة. على سبيل المثال ، البكتيريا ذات مولد التذبذب ، والتي تتزامن أيضًا في الخلايا المجاورة ، وإخراج البروتينات المضيئة- تناظرية كاملة من "وميض المصباح الكهربائي" للمتحكم الدقيق و "Hello World" للمبرمجين الآخرين. من خلال إضافة "شعور النصاب القانوني" إلى هذا النظام (عندما تدرك البكتيريا عدد أبناء عمومتها المحيطين بها) ، وتغيير الناتج من التلألؤ إلى السموم ، قام العلماء بتجميع البكتيريا التي تزحف إلى الأورام السرطانية وتتراكم بأعداد كبيرة ، وتموت معًا ، وتطلق السموم وتقتل ورم ( مزيد من التفاصيل هنا ).

ولكن هذه هي البكتيريا والخميرة. شبكات الجينات الحيوانية أكثر تعقيدًا. في الجزء التالي ، سنقوم بتحليل إحدى شبكات الجينات الحيوانية المدروسة جيدًا والمشكلات التي تنشأ مع دراستها ونمذجتها.