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