用生物开关组装电路

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的上一篇文章在大肠杆菌中包含不同代谢途径的操纵子的逻辑与AND和OR元素相似。因此，基于它们，您可以构建一个实现任意逻辑方案（不太复杂）的基因构建体。有一些程序，例如Cello，从Verilog中的逻辑描述中可以得出实现该逻辑的基因构建体的序列。

反问题变得更加困难：从天然DNA的序列中获得对其调节逻辑的描述。让我们从简单的情况开始，在这些情况下，没有复杂的反馈回路，并且一个操纵子上集成了许多信号。大肠杆菌基因的几乎所有调节都满足这些条件。如果我们将大肠杆菌基因之间的所有已知调控连接都建立起来，然后建立一个网络，那么我们就可以计算出该网络“动机”的统计数据（连接要素的方法）并选择最常用的。

基因转换动力学

在上一篇文章中，我们使用具有四个参数的简单模型对乳糖操纵子的操作进行了建模。时间不是这个模型的一部分。因此，实际上，它仅描述了输入信号电平长时间保持恒定时的平衡状态。为了在打开和关闭基因时对快速过程进行建模，必须考虑其他因素。

首先，存在转录延迟：从RNA聚合酶的工作开始到mRNA合成的结束，再到蛋白质的合成，在大肠杆菌中大约需要10分钟，而在人类中则需要一个小时或更长的时间。因此，新蛋白质分子的出现速率不取决于其基因启动子的状态，而是取决于几分钟前启动子的状态。

其次，每种蛋白质不仅合成，而且分解。在最简单的情况下，蛋白质的分解不受控制，并且每分钟该蛋白质分子的固定部分在细胞中分解。它们越多，它们分解的越多。即，该蛋白质具有半衰期，在此期间其浓度下降一半。


为了描述打开和关闭基因的动力学，我们需要写一个差异：

$$

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

其中A是基因活性（与上一篇文章相同的输入函数），tau是转录延迟时间，k是蛋白质分解率。如果A首先等于零，然后突然上升并保持恒定水平，则蛋白质含量随时间的变化将如下所示：

基因网络的动机及其功能

大肠杆菌最简单的特征特征-反馈环-由一个自我调节的基因组成。最常见的是，基因本身就是一个阻遏物，也就是说，回路中的反馈是负的。如果这是主要的调控输入，那么这种反馈通常可以稳定该基因编码的蛋白质的水平。例如，这种反馈回路在细胞中维持恒定水平的乳糖阻遏物。如果除负反馈外，还有其他调节输入，则反馈会加速基因对外部信号的响应。


（虚线是理论曲线，实线是实验的结果。绿线带有负反馈，蓝线没有负反馈）

积极的反馈（一种蛋白质激活其自身的基因）通常会导致触发行为。这样的基因有两个稳定状态：要么根本不起作用，要么满负荷运转。一个强而短的外部信号可以将一个基因从一种稳定状态转移到另一种稳定状态，直到下一个信号为止。这样的动机可以用作记忆的要素。如果基因在监管输入上“捕获”噪音，那么积极的反馈将导致在相同条件下生长的相邻细胞之间的基因活性强烈扩散。这用于保持细菌一起生长的异质性，以使突然的压力不会立即杀死所有人。

例如，许多抗生素干扰蛋白质合成。如果细胞不生长并且不合成蛋白质，那么它可以很容易地在向培养基中添加抗生素后存活下来，然后再恢复生长。在大肠杆菌中，即使在理想条件下，在环境突然中毒的情况下，多达0.01％的细胞也处于这种休眠状态。这些休眠细胞（被称为“持久性”）与DNA中的其余细胞没有区别；它们在具有正反馈和噪声输入的基因的控制下进入和退出休眠状态。

基因网络的另一个常见主题要复杂一些。它被称为“前馈环”，由三个基因组成：X基因调节Y和Z基因，Y基因调节Z。循环中的三个链接都可以激活或抑制，因此，原则上有8种可能这样的循环。实际上，通常会找到两种八种类型：X和Y基因是激活子（1型相干环），或者X是Y和Z激活子，Y是Z阻遏物（1型非相干环）。


具有两个激活器的环路的行为取决于Z上输入交互作用的逻辑。如果输出基因在环路中用作与，则环路就像低通滤波器一样工作，该滤波器不会将短脉冲传递给输出。出现在一个循环中的输出信号，输入（X）应当接收信号足够长的时间以累积蛋白X，然后Y.蛋白的蛋白X和Y包括基因Z.的唯一组合作用



若Z基因作品作为OR，那么函数环则相反：它将所有脉冲传递到输出，然后变短为长脉冲。但她不会错过脉冲之间的短暂停顿。

带有激活器X和抑制器Y的直接环路充当高通滤波器。响应于输入信号的前沿，它在输出端产生固定长度小的脉冲（等于Y基因的转录延迟）。

大肠杆菌基因网络中的第三种常见动机是单输入模块。它只是一组由相同调节基因驱动的基因。通常，该组中的基因具有不同的激活阈值，因此转录因子浓度的平稳增加包括一定顺序的基因。这种方案例如用于管理对压力的响应。



第四个最复杂的动机是多输入模块，即密集的重叠规则。它由几个控制几个“输出”基因的调节基因组成。


根据每个输出基因调控的逻辑，这一动机的工作方式可能大不相同。可以将其与逻辑元素的组合进行比较，根据连接的不同，逻辑元素可以是解码器，计数器或其他东西。尚没有对此类动机的工作逻辑的完整描述。

通过这四个动机，大肠杆菌或酵母的基因网络的结构实际上已经耗尽。在此基础上，已经制定了各种人工方案。例如，带有振荡发生器的细菌（也可在相邻细胞中同步）和发光蛋白的输出-完整的类似物，用于微控制器的“闪烁灯泡”和用于其他程序员的“ Hello World”。通过给该系统增加一种“群体感觉”（当细菌感知到周围有多少表亲时），并将其输出从发光改变为毒素，科学家收集了爬入癌性肿瘤并大量积累的细菌，它们一起死亡，释放出毒素并杀死它们。肿瘤（更多详细信息在这里）。

但是这些是细菌和酵母。动物基因网络要复杂得多。在下一部分中，我们将分析一个经过充分研究的动物基因网络以及它们的研究和建模所引起的问题。