生物计算技术 唐梦璇16300270049 技术原理 如何利用细胞进行定量计算一直以来都是合成生物学中的重要问题。本课题基于 cre/Flp双重组酶系统,在大肠杆菌中实现了布尔逻辑门中的与门和异或门。同时,我们将 与门和异或门组合,构建了能够进行两个一位二进制数加法运算的半加器。其生物学过程概 述为大肠杆菌在阿拉伯糖和乳糖操纵子的作用下,将环境中的阿拉伯糖和乳糖作为输入信号 经过cre/F双重组酶系统处理后,通过荧光蛋白的形式输出计算结果。本课题对于生物计 算具有较为重要的意义。Cre/loxp重组酶系统在条件性基因打靶中有着广泛的应用。其基 本原理如图一所示,Cre/lox重组酶系统由Cre重组酶和10xp位点两部分组成。Loxp位点 是Cre重组酶特异性识别的一段长34bp的DNA序列,由两端13bp的反向重复序列和中间 8bp的不对称序列组成。其中8bp的间隔区对于重组过程十分重要,DNA的切割和连接都在 此部位发生,并且决定了10xp方向。如果两个Lox位点位于一条DNA链上,方向相反,Cre 重组酶能导致两个Lox位点间的序列倒位。来源于酵母2um质粒的Fp/Frt重组酶系统和 cre/oxp重组酶系统类似,由重组酶Fp和其识别位点Frt组成。如果两个Frt位点位于一 条DNA链上,方向相反,Flp重组酶同样能导致两个Frt位点间的序列倒位。 基于Cre和Flp的特性,我们构建了与门和异或门。如图二所示,黄色和蓝色的三角箭 头代表10xp位点,黑色和白色的三角箭头代表frt位点,T代表终止子。上图所示为与门 下图所示为异或门。在与门中,若Cre和Flp都不存在,则两个终止子序列都未被倒位,其 后的红色荧光蛋白不能被转录。若仅存在Cre,第一个终止子序列被倒位而第二个终止子序 列并未被倒位,其后的红色荧光蛋白不能被转录;若仅存在F1p,第二个终止子序列被倒位 而第一个终止子序列并未被倒位,其后的红色荧光蛋白同样不能被转录。只有当Cre和Flp 同时存在的情况下,后面的红色荧光蛋白才被转录。在异或门中,若Cre和Flp都不存在 则终止子序列都未被倒位,其后的绿色荧光蛋白不能被转录。若存在Cre或存在Flp,终止 子序列被倒位,其后的绿色荧光蛋白被转录。若Cre和Flp同时存在,终止子序列被倒位两 次,相当于未发生倒位,其后的绿色荧光蛋白不能被转录 我们将Cre基因放置于阿拉伯糖启动子pBAD的下游,将Flp放置于乳糖启动子P的 下游。当存在阿拉伯糖时,Cre被表达:当存在乳糖时,Flp被表达。因此,我们通过将Cre/Flp 双重组酶系统和阿拉伯糖操纵子与乳糖操纵子相耦连,把胞外环境中的信号转导为胞内的信 号。如表一所示,当环境中不存在阿拉伯糖和乳糖时,与门输出0,异或门输出0,细胞预
1 生物计算技术 唐梦璇 16300270049 技术原理： 如何利用细胞进行定量计算一直以来都是合成生物学中的重要问题。本课题基于 Cre/Flp 双重组酶系统，在大肠杆菌中实现了布尔逻辑门中的与门和异或门。同时，我们将 与门和异或门组合，构建了能够进行两个一位二进制数加法运算的半加器。其生物学过程概 述为大肠杆菌在阿拉伯糖和乳糖操纵子的作用下，将环境中的阿拉伯糖和乳糖作为输入信号， 经过 Cre/Flp 双重组酶系统处理后，通过荧光蛋白的形式输出计算结果。本课题对于生物计 算具有较为重要的意义。Cre/loxp 重组酶系统在条件性基因打靶中有着广泛的应用。其基 本原理如图一所示，Cre/lox 重组酶系统由 Cre 重组酶和 loxp 位点两部分组成。Loxp 位点 是 Cre 重组酶特异性识别的一段长 34bp 的 DNA 序列，由两端 13bp 的反向重复序列和中间 8bp 的不对称序列组成。其中 8bp 的间隔区对于重组过程十分重要，DNA 的切割和连接都在 此部位发生，并且决定了 loxp 方向。如果两个 Lox 位点位于一条 DNA 链上，方向相反，Cre 重组酶能导致两个 Lox 位点间的序列倒位 [2]。来源于酵母 2μm 质粒的 Flp/Frt 重组酶系统和 Cre/loxp 重组酶系统类似，由重组酶 Flp 和其识别位点 Frt 组成。如果两个 Frt 位点位于一 条 DNA 链上，方向相反，Flp 重组酶同样能导致两个 Frt 位点间的序列倒位。 基于 Cre 和 Flp 的特性，我们构建了与门和异或门。如图二所示，黄色和蓝色的三角箭 头代表 loxp 位点，黑色和白色的三角箭头代表 frt 位点，T 代表终止子。上图所示为与门， 下图所示为异或门。在与门中，若 Cre 和 Flp 都不存在，则两个终止子序列都未被倒位，其 后的红色荧光蛋白不能被转录。若仅存在 Cre，第一个终止子序列被倒位而第二个终止子序 列并未被倒位，其后的红色荧光蛋白不能被转录；若仅存在 Flp，第二个终止子序列被倒位 而第一个终止子序列并未被倒位，其后的红色荧光蛋白同样不能被转录。只有当 Cre 和 Flp 同时存在的情况下，后面的红色荧光蛋白才被转录。在异或门中，若 Cre 和 Flp 都不存在， 则终止子序列都未被倒位，其后的绿色荧光蛋白不能被转录。若存在 Cre 或存在 Flp，终止 子序列被倒位，其后的绿色荧光蛋白被转录。若 Cre 和 Flp 同时存在，终止子序列被倒位两 次，相当于未发生倒位，其后的绿色荧光蛋白不能被转录。 我们将 Cre 基因放置于阿拉伯糖启动子 pBAD 的下游，将 Flp 放置于乳糖启动子 Plac的 下游。当存在阿拉伯糖时，Cre 被表达；当存在乳糖时，Flp 被表达。因此，我们通过将 Cre/Flp 双重组酶系统和阿拉伯糖操纵子与乳糖操纵子相耦连，把胞外环境中的信号转导为胞内的信 号。如表一所示，当环境中不存在阿拉伯糖和乳糖时，与门输出 0，异或门输出 0，细胞预
计不发出荧光;当环境中存在阿拉伯糖时,与门输出0,异或门输出1,细胞预计发出绿色 荧光;当环境中存在乳糖时,与门输出0,异或门输出1,细胞预计发出绿色荧光;当环境 中既存在阿拉伯糖又存在乳糖时,与门输出1,异或门输出0,细胞预计发出红色荧光。因 此细胞不发出荧光代表计算结果为0,细胞发出绿色荧光代表计算结果为1,细胞发出红色 荧光代表计算结果为2,从而达到不同运算结果之间的区分。 Inversion 图一、re/loxp重组酶系统介导的顺倒示意图 图二、基于0re/Flp双重组的与门(上)与异或门(下 表一、半加器真值表 半加器 ra输入Lac输入与门输出异或门输出|总输出细胞输出 0 0 无荧光 1 0 1 1 绿色
2 计不发出荧光；当环境中存在阿拉伯糖时，与门输出 0，异或门输出 1，细胞预计发出绿色 荧光；当环境中存在乳糖时，与门输出 0，异或门输出 1，细胞预计发出绿色荧光；当环境 中既存在阿拉伯糖又存在乳糖时，与门输出 1，异或门输出 0，细胞预计发出红色荧光。因 此细胞不发出荧光代表计算结果为 0，细胞发出绿色荧光代表计算结果为 1，细胞发出红色 荧光代表计算结果为 2，从而达到不同运算结果之间的区分。 图一、 Cre/loxp 重组酶系统介导的颠倒示意图 图二、基于 Cre/Flp 双重组酶的与门（上）与异或门（下） 表一、半加器真值表 半加器 Ara 输入 Lac 输入 与门输出 异或门输出 总输出 细胞输出 0 0 0 0 0 无荧光 1 0 0 1 1 绿色
0 1 绿色 1 1 0 2 红色 terminator B00154 Frte Frt RFP+ terminator B0015+ 图三、与门(上)和异或门(下)质粒图谱
3 0 1 0 1 1 绿色 1 1 1 0 2 红色 图三、与门（上）和异或门（下）质粒图谱
如图四所示,横坐标表示阿拉伯糖的浓度,纵坐标表示乳糖的浓度。在与门中,当阿拉 伯糖和乳糖浓度同时较高时,荧光强度最强。和与门的真值表一致。在异或门中,当阿拉伯 糖浓度较高、乳糖浓度较低或阿拉伯糖浓度较低、乳糖浓度较高时,荧光强度最强。和异或 门的真值表一致。该结果表明我们成功地构建了与门和异或门,并表现出较好的阈值效应 如图五所示,当环境中不存在阿拉伯糖和乳糖时,细胞不发出荧光:当环境中存在阿拉 伯糖时,细胞发出绿色荧光:当环境中存在乳糖时,细胞发岀绿色荧光:;当环境中既存在阿 拉伯糖又存在乳糖时,细胞发出红色荧光。因此细胞不发出荧光代表计算结果为0,细胞发 出绿色荧光代表计算结果为1,细胞发出红色荧光代表计算结果为2。该结果表明我们成功 地构建了半加器。 图四、与门(左)和异或门(右)中不同乳糖浓度和阿拉伯糖浓度下的荧光强度
4 如图四所示，横坐标表示阿拉伯糖的浓度，纵坐标表示乳糖的浓度。在与门中，当阿拉 伯糖和乳糖浓度同时较高时，荧光强度最强。和与门的真值表一致。在异或门中，当阿拉伯 糖浓度较高、乳糖浓度较低或阿拉伯糖浓度较低、乳糖浓度较高时，荧光强度最强。和异或 门的真值表一致。该结果表明我们成功地构建了与门和异或门，并表现出较好的阈值效应。 如图五所示，当环境中不存在阿拉伯糖和乳糖时，细胞不发出荧光；当环境中存在阿拉 伯糖时，细胞发出绿色荧光；当环境中存在乳糖时，细胞发出绿色荧光；当环境中既存在阿 拉伯糖又存在乳糖时，细胞发出红色荧光。因此细胞不发出荧光代表计算结果为 0，细胞发 出绿色荧光代表计算结果为 1，细胞发出红色荧光代表计算结果为 2。该结果表明我们成功 地构建了半加器。 图四、与门（左）和异或门（右）中不同乳糖浓度和阿拉伯糖浓度下的荧光强度
图五、计算结果(左上)环境中不存在阿拉伯糖和乳糖时(左下)环境中存在阿拉伯糖时(右上)环境中 存在乳糖时(右下)环境中既存在阿拉伯糖又存在乳糖时 技术应用:生命的基本组成一一DNA、蛋白质,能够根据外界环境或者自身状态的变化完成 复杂的生物指令。因此一个细胞可看做是一台计算机。人类已经根据神经网络、蛋白质和 DNA的特性,设计出了不同类型的生物计算机。本课题在 Drew endy等设计的基于重组系统 的逻辑门的基础上对部分元件进行替换,并将与门和异或门组合,构建了能够进行两个一位 二进制数加法运算的半加器,使得细胞像晶体管一样起作用。进一步的设想是通过逻辑门的 组合实现更加复杂的生物电子元件。虽然本课题目前无具体应用,但在生物、电子计算机等
5 图五、计算结果（左上）环境中不存在阿拉伯糖和乳糖时（左下）环境中存在阿拉伯糖时（右上）环境中 存在乳糖时（右下）环境中既存在阿拉伯糖又存在乳糖时 技术应用：生命的基本组成——DNA、蛋白质，能够根据外界环境或者自身状态的变化完成 复杂的生物指令。因此一个细胞可看做是一台计算机。人类已经根据神经网络、蛋白质和 DNA 的特性，设计出了不同类型的生物计算机。本课题在 Drew Endy 等设计的基于重组系统 的逻辑门的基础上对部分元件进行替换，并将与门和异或门组合，构建了能够进行两个一位 二进制数加法运算的半加器，使得细胞像晶体管一样起作用。进一步的设想是通过逻辑门的 组合实现更加复杂的生物电子元件。虽然本课题目前无具体应用，但在生物、电子计算机等
领域有着广泛的应用前景 技术优缺点:生物计算机具有能够自我修复、并行处理、能量消耗低、存储信息的空间小等 优点,是未来计算机发展的一个重要方向。和生物计算机相比,一台电子计算机的内部实际 上是由许许多多个数字电路组成,而数字电路可以看作是用电子器件实现的逻辑门网络。逻 辑门可执行一个关于一个或多个逻辑输入的逻辑运算,并产生一个逻辑输出。算术运算是加 法、减法、乘法和除法四种运算的统称,是数学中最古老,最基础和最初等的部分。实现算术 运算是未来生物计算机必须具备的基本功能之一。而生物计算的缺点是生物反应十分复杂, 很难运算得出准确的结果,很难控制,并且在数据输出的形式上也要考虑如何将生物形式转 化为电子形式
6 领域有着广泛的应用前景。 技术优缺点：生物计算机具有能够自我修复、并行处理、能量消耗低、存储信息的空间小等 优点，是未来计算机发展的一个重要方向。和生物计算机相比，一台电子计算机的内部实际 上是由许许多多个数字电路组成，而数字电路可以看作是用电子器件实现的逻辑门网络。逻 辑门可执行一个关于一个或多个逻辑输入的逻辑运算,并产生一个逻辑输出。算术运算是加 法、减法、乘法和除法四种运算的统称,是数学中最古老,最基础和最初等的部分。实现算术 运算是未来生物计算机必须具备的基本功能之一。而生物计算的缺点是生物反应十分复杂， 很难运算得出准确的结果，很难控制，并且在数据输出的形式上也要考虑如何将生物形式转 化为电子形式