जैविक स्विच से सर्किट को इकट्ठा करना

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। ई। कोलाई में विभिन्न चयापचय पथों के संचालकों को शामिल करने का तर्क तत्वों और OR के करीब है। इसलिए, उनके आधार पर, आप एक जीन निर्माण कर सकते हैं जो एक मनमाना तार्किक योजना लागू करता है (बहुत जटिल नहीं)। ऐसे कार्यक्रम हैं, उदाहरण के लिए, सेलो, जो वेरिलोग में तर्क के विवरण से, एक जीन निर्माण का एक क्रम बनाते हैं जो इस तर्क को लागू करता है।

उलटा समस्या अधिक कठिन हो जाती है: प्राकृतिक डीएनए के अनुक्रम से इसके विनियमन के तर्क का विवरण प्राप्त करना। आइए सरल मामलों से शुरू करें जहां कोई जटिल प्रतिक्रिया छोरों और एक ओपेरा पर कई संकेतों के एकीकरण नहीं हैं। ई। कोलाई जीन के लगभग सभी विनियमन इन स्थितियों को संतुष्ट करते हैं। यदि हम एस्चेरिचिया कोलाई के जीनों के बीच सभी ज्ञात विनियामक कनेक्शन लेते हैं और उनमें से एक नेटवर्क बनाते हैं, तो हम इस नेटवर्क के "उद्देश्यों" (तत्वों को जोड़ने के तरीके) के आंकड़ों की गणना कर सकते हैं और सबसे अधिक बार उपयोग किए जाने वाले का चयन कर सकते हैं।

जीन स्विचिंग गतिशीलता

में पिछले लेख में, हम चार मानकों के साथ लैक्टोज ओपेरोन साधारण मॉडल का काम अनुकरण। समय इस मॉडल का हिस्सा नहीं था। इसलिए, यह, वास्तव में, केवल संतुलन स्थिति का वर्णन करता है, जब इनपुट सिग्नल का स्तर लंबे समय तक स्थिर रहता है। जीन को चालू और बंद करते समय तेज प्रक्रियाओं को मॉडल करने के लिए, अतिरिक्त कारकों पर विचार किया जाना चाहिए।

सबसे पहले, एक ट्रांसक्रिप्शनल देरी है: आरएनए पोलीमरेज़ के काम की शुरुआत से mRNA के संश्लेषण के अंत तक, और फिर प्रोटीन, एक ध्यान देने योग्य समय गुजरता है, एस्चेरिचिया कोलाई में लगभग 10 मिनट और मनुष्यों में एक घंटे या उससे अधिक। इसलिए, नए प्रोटीन अणुओं की उपस्थिति की दर अभी इसके जीन के प्रमोटर की स्थिति पर निर्भर नहीं करती है, लेकिन कुछ मिनट पहले प्रमोटर की स्थिति पर।

दूसरे, प्रत्येक प्रोटीन न केवल संश्लेषित होता है, बल्कि टूट भी जाता है। सबसे सरल मामले में, प्रोटीन का टूटना नियंत्रित नहीं होता है और हर मिनट इस प्रोटीन के अणुओं का एक निश्चित अंश कोशिका में टूट जाता है। जितना अधिक वे हैं, उतना ही वे टूट जाते हैं। यही है, प्रोटीन का आधा जीवन होता है, जिसके दौरान इसकी एकाग्रता आधे से कम हो जाती है।


जीन को चालू और बंद करने की गतिशीलता का वर्णन करने के लिए, हमें एक अंतर लिखना होगा:

$$

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

जहां A जीन गतिविधि है (पिछले लेख से समान इनपुट फ़ंक्शन), ताऊ ट्रांसक्रिप्शनल देरी समय है, और कश्मीर प्रोटीन टूटने की दर है। यदि ए पहले शून्य के बराबर है, और फिर अचानक बढ़ जाता है और निरंतर स्तर पर रहता है, तो समय के साथ प्रोटीन की मात्रा में परिवर्तन इस तरह दिखाई देगा:

जीन नेटवर्क और उनके कार्यों में उद्देश्य

Escherichia कोलाई की सबसे सरल आकृति विशेषता - प्रतिक्रिया पाश - एक जीन होता है जो खुद को नियंत्रित करता है। सबसे अधिक बार, जीन स्वयं के लिए एक प्रतिकारक है, अर्थात, लूप में प्रतिक्रिया नकारात्मक है। यदि यह मुख्य नियामक इनपुट है, तो यह प्रतिक्रिया आमतौर पर जीन द्वारा एन्कोड किए गए प्रोटीन के स्तर को स्थिर करने का कार्य करती है। इस तरह के एक प्रतिक्रिया लूप, उदाहरण के लिए, सेल में लैक्टोज रिप्रेसर के एक निरंतर स्तर को बनाए रखता है। यदि, नकारात्मक प्रतिक्रिया के अलावा, अन्य नियामक इनपुट हैं, तो प्रतिक्रिया बाहरी संकेत के लिए जीन प्रतिक्रिया को तेज करती है।


(धराशायी लाइनें सैद्धांतिक वक्र हैं, ठोस लाइनें प्रयोग का परिणाम हैं। नकारात्मक प्रतिक्रिया के साथ हरी रेखाएं, इसके बिना नीली रेखाएं)

सकारात्मक प्रतिक्रिया (एक प्रोटीन अपने स्वयं के जीन को सक्रिय करता है) आमतौर पर ट्रिगर व्यवहार की ओर जाता है। इस तरह के जीन में दो स्थिर अवस्थाएँ होती हैं: यह या तो बिल्कुल काम नहीं करता है, या पूरी क्षमता से काम करता है। एक मजबूत लेकिन कम बाहरी संकेत एक जीन को एक स्थिर स्थिति से दूसरे में स्थानांतरित कर सकता है जिसमें यह अगले संकेत तक रहता है। इस तरह का मकसद स्मृति के एक तत्व के रूप में काम कर सकता है। यदि एक विनियामक इनपुट पर एक जीन "कैच" शोर करता है, तो एक सकारात्मक प्रतिक्रिया समान परिस्थितियों में बढ़ने वाली पड़ोसी कोशिकाओं के बीच जीन गतिविधि में एक मजबूत प्रसार का कारण बनेगी। इसका उपयोग बैक्टीरिया को एक साथ बढ़ने की विषमता को बनाए रखने के लिए किया जाता है, ताकि अचानक तनाव एक बार में सभी को न मार दे।

उदाहरण के लिए, कई एंटीबायोटिक्स प्रोटीन संश्लेषण में हस्तक्षेप करते हैं। यदि कोशिका बढ़ती नहीं है और प्रोटीन को संश्लेषित नहीं करती है, तो यह आसानी से मध्यम तक एंटीबायोटिक दवाओं के अतिरिक्त को जीवित कर सकता है और बाद में विकास में लौट सकता है। ई। कोलाई में, यहां तक ​​कि आदर्श परिस्थितियों में, 0.01% तक कोशिकाएं पर्यावरण के अचानक विषाक्तता के मामले में इस तरह के हाइबरनेशन में हैं। ये निष्क्रिय कोशिकाएं (उन्हें "दृढ़ता" कहा जाता है) डीएनए में बाकी से भिन्न नहीं होती हैं, वे सकारात्मक प्रतिक्रिया और शोर इनपुट के साथ एक जीन के नियंत्रण में हाइबरनेशन में प्रवेश करती हैं और बाहर निकलती हैं।

जीन नेटवर्क का एक अन्य सामान्य रूप थोड़ा अधिक जटिल है। इसे "फीड-फॉरवर्ड लूप" कहा जाता है और इसमें तीन जीन होते हैं: एक्स जीन वाई और जेड जीन को नियंत्रित करता है, वाई जीन जेड को नियंत्रित करता है। लूप के तीन में से प्रत्येक लिंक सक्रियण या दमन हो सकता है, इसलिए, सिद्धांत रूप में, 8 प्रकार संभव हैं। ऐसे छोरों। वास्तव में, आमतौर पर दो प्रकार के आठ पाए जाते हैं: या तो एक्स और वाई जीन सक्रिय हैं (टाइप 1 सुसंगत लूप), या एक्स वाई और जेड कार्यकर्ता है, वाई जेड रेप्रेसर (टाइप 1 असंगत लूप) है।


दो एक्टिविस्ट्स के साथ लूप का व्यवहार Z पर इनपुट्स के इंटरैक्शन के तर्क पर निर्भर करता है। यदि आउटपुट जीन के रूप में और लूप में काम करता है, तो लूप एक कम-पास फिल्टर की तरह काम करता है जो आउटपुट में छोटी दालों को पारित नहीं करता है। आउटपुट लूप ऐसे लूप में दिखाई देने के लिए, इनपुट एक्स (एक्स) को प्रोटीन एक्स के संचय के लिए पर्याप्त संकेत मिलना चाहिए, और फिर प्रोटीन वाई। केवल प्रोटीन एक्स और वाई की संयुक्त कार्रवाई जेड जीन को चालू करेगी।



यदि जेड जीन ओआरएस के लिए काम करता है, या फिर लूप कार्य करता है। इसके विपरीत हो जाता है: यह सभी दालों को आउटपुट में बदल देता है, और लंबे समय तक छोटा हो जाता है। लेकिन वह दालों के बीच कम पोज देने से नहीं चूकती।

एक्टिवेटर एक्स और रेप्रेसर वाई के साथ सीधा लूप एक उच्च पास फिल्टर के रूप में कार्य करता है। यह इनपुट संकेतों के प्रमुख किनारों के जवाब में आउटपुट पर छोटी निश्चित लंबाई (वाई जीन की ट्रांसक्रिप्शनल देरी के बराबर) की दालों का उत्पादन करता है।

एस्चेरिचिया कोलाई के जीन नेटवर्क में तीसरा लगातार मकसद एकल-इनपुट मॉड्यूल है। यह एक ही नियामक जीन द्वारा संचालित जीनों का एक समूह है। आमतौर पर, इस समूह के जीन में अलग-अलग सक्रियण थ्रेसहोल्ड होते हैं, इसलिए प्रतिलेखन कारक की एकाग्रता में एक चिकनी वृद्धि में एक निश्चित क्रम में जीन शामिल हैं। इस तरह की योजना का उपयोग किया जाता है, उदाहरण के लिए, तनाव के लिए प्रतिक्रियाओं का प्रबंधन करने में।



चौथा, सबसे जटिल मकसद मल्टी-इनपुट मॉड्यूल या घने ओवरलैपिंग रेगुलेशन है। इसमें कई नियामक जीन होते हैं जो कई "आउटपुट" जीन को नियंत्रित करते हैं।


प्रत्येक आउटपुट जीन के नियमन के तर्क के आधार पर, यह मकसद बहुत अलग तरीके से काम कर सकता है। इसकी तुलना तर्क तत्वों की एक विधानसभा के साथ की जा सकती है, जो कनेक्शन के आधार पर, एक डिकोडर, काउंटर या कुछ और हो सकता है। ऐसे उद्देश्यों के कार्य के तर्क का पूर्ण विवरण अभी तक मौजूद नहीं है।

इन चार उद्देश्यों के साथ, एस्चेरिचिया कोलाई या खमीर के जीन नेटवर्क की संरचना व्यावहारिक रूप से समाप्त हो गई है। उनके आधार पर, पहले से ही विभिन्न कृत्रिम योजनाएँ बनाई जा रही हैं। उदाहरण के लिए, एक दोलन जनरेटर के साथ बैक्टीरिया, जो पड़ोसी कोशिकाओं में भी सिंक्रनाइज़ होता है, और ल्यूमिनसेंट प्रोटीन का उत्पादन- माइक्रोकंट्रोलर के लिए "ब्लिंक ए लाइट बल्ब" और अन्य प्रोग्रामर के लिए "हैलो वर्ल्ड" का पूरा एनालॉग। इस प्रणाली में एक "कोरम भावना" जोड़कर (जब बैक्टीरिया को पता चलता है कि कितने चचेरे भाई उन्हें घेरते हैं), और ल्यूमिनेसिसेंस से विषाक्त पदार्थों में उत्पादन को बदलते हुए, वैज्ञानिकों ने बैक्टीरिया एकत्र किए हैं जो कैंसर के ट्यूमर में क्रॉल करते हैं और बड़ी संख्या में जमा होते हैं, वे एक साथ मरते हैं, विषाक्त पदार्थों को छोड़ते हैं और मारते हैं ट्यूमर ( यहां अधिक विवरण )।

लेकिन ये बैक्टीरिया और खमीर हैं। पशु जीन नेटवर्क बहुत अधिक जटिल हैं। अगले भाग में, हम अच्छी तरह से अध्ययन किए गए पशु जीन नेटवर्क और उनके अध्ययन और मॉडलिंग के साथ आने वाली समस्याओं का विश्लेषण करेंगे।