一种光控稳健基因振荡系统技术方案

本发明专利技术公开了一种光控稳健基因振荡系统包括光控基因振荡器和调控光源；所述光控基因振荡器包括光控元件与基因振荡元件；所述调控光源包括计算调控部件和光源，计算调控部件根据光控基因振荡器的振荡观测值实时发出调控信号，调节光源的照射强度和照射时间；光控基因振荡器根据调节的光源照射强度和照射时间，调整其振荡行为。本发明专利技术引入外源光照调控机制对基因振荡行为进行精确调控，使其更为稳健。本发明专利技术有助于加深对基因振荡回路的理解，对生命系统中振荡的调控以及构建稳健的大型合成生物学系统有一定的理论指导意义。实际应用方面，稳健的光控基因振荡系统可以整合到细胞中，使其根据需求周期性地表达某种基因，节约生产成本，提高生产效率。

A Photo-controlled Robust Gene Oscillation System

【技术实现步骤摘要】
一种光控稳健基因振荡系统
本专利技术涉及基因调控
，尤其涉及一种光控稳健基因振荡系统。
技术介绍
现在有很多种类型的基因振荡器和光控基因表达系统，但据我们所知，利用光控系统控制基因振荡器的研究还没有。由于生物系统内部的复杂性，直接研究生物振荡器是比较困难的，所以近年来，科学家们常常通过人为设计更加简单的基因回路，构建基因振荡器，来研究生命振荡行为。但如果只从生物元件本身入手进行改进，可控性比较差，很难做到精确调节。此外，目前人们对这些元件的定量化理解还不够深入，无法实现灵活调控。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服上述现有技术的不足之处而提供一种光控稳健基因振荡系统。本专利技术利用光遗传学方法，通过整合光遗传学基因表达控制模块并施加光控来增加基因振荡器的可控性和稳健性。本专利技术以两套光控稳健基因振荡系统为例，进行了演示。首先，在大肠杆菌中分别构建了两套受到光照调控的群体同步基因振荡器——蓝光光控基因振荡器和红光光控基因振荡器。同时，还在计算机中编写了能够根据光控基因振荡器的振荡观测值实时调节光源照射强度和照射时间的计算机程序，以“群体同步基因振荡器模拟程序”(命名为：虚拟振荡器)为例。两种光控基因振荡器(红光和蓝光)受到虚拟振荡器的调控，构成了两种光控稳健振荡系统。在每套光控稳健振荡系统中，利用虚拟振荡器对光控基因振荡器进行实时调控，即，通过虚拟振荡器使光照强度和时间呈现稳定的振荡，借助稳定振荡的光照调控光控基因振荡器中相关基因的表达水平，最终使基因振荡器的振荡行为更加稳健和可控。为实现上述目的，本专利技术采取的技术方案为：一种光控稳健基因振荡系统，包括光控基因振荡器和调控光源；所述光控基因振荡器是由光控元件与基因振荡元件在细胞中整合而成；所述调控光源包含计算调控部件和光源，其中，所述计算调控部件能够基于所述光控基因振荡器的振荡观测值实时发出调控信号，调节所述光源的照射强度和照射时间；所述光控基因振荡器根据调节的光源照射强度和照射时间，调整其振荡行为。进一步地，所述光控元件为光遗传学基因表达控制模块。进一步地，所述光源是能够引起光遗传学分子响应的特定波长的光源。进一步地，所述计算调控部件包括具有逻辑运算和逻辑处理功能的计算机程序、智能移动设备、嵌入式硬件系统、数字电路、数字光路、模拟运算电路或模拟运算光路中的任意一种或其组合。进一步地，所述光控基因振荡器包括但不限于蓝光光控基因振荡器和红光光控基因振荡器，所述蓝光光控基因振荡器受到蓝光的调控，所述红光光控基因振荡器受到红光的调控，其中蓝光光控基因振荡器的荧光报告蛋白为mTagBFP2，红光光控基因振荡器的荧光报告蛋白为sfGFP。进一步地，所述蓝光光控基因振荡器的光控元件是如序列SEQNO:1所示的质粒。进一步地，所述蓝光光控基因振荡器的基因振荡元件是如序列SEQNO:2所示的质粒。进一步地，所述红光光控基因振荡器的光控元件是如序列SEQNO:3所示的质粒。进一步地，所述红光光控基因振荡器的基因振荡元件是如序列SEQNO:4所示的质粒。进一步地，所述蓝光光控基因振荡器的光控元件包括EL222基因和luxI启动子；所述EL222基因序列位于启动子PluxI的-10区下游；或EL222基因序列替换启动子PluxI的-35区和-10区的间隔序列，同时在-10区的下游也插入EL222基因序列；或EL222基因序列位于启动子PluxI的-35区和-10区的间隔序列。本专利技术的有益效果：本专利技术通过添加光源调控机制，对基因振荡行为进行精确调控，使其更为稳健和可控。本专利技术有助于加深对基因振荡回路的理解，对生命系统中振荡的调控以及构建稳健的大型合成生物学系统有一定的理论指导意义。实际应用方面，稳健的光控基因振荡系统可以整合到细胞中，使其根据需求周期性地表达某种基因，节约生产成本，提高生产效率。附图说明图1为实施例4中虚拟振荡器对光控基因振荡器的调控机制示意图(其中A为光照强度函数；B为虚拟振荡器的数学模型；C为虚拟振荡器振荡行为模式图)。图2为实施例4中蓝光光控基因振荡器稳健性分析示意图(其中A为调控前荧光振荡现象及每个振荡的周期、振幅变化分析示意图；B为调控后荧光振荡现象及每个振荡的振幅、周期变化分析示意图)。图3为实施例4中红光光控基因振荡器稳健性分析示意图(其中A为调控前荧光振荡现象及每个振荡的周期、振幅变化分析示意图；B为调控后荧光振荡现象及每个振荡的振幅、周期变化分析示意图)。具体实施方式为了更加简洁明了地展示本专利技术的技术方案、目的和优点，下面结合具体实施例及其附图对本专利技术做进一步的详细描述。实施例1蓝光光控基因振荡器的构建1.蓝光光控元件的构建1.1蓝光光控质粒的构建(1)将合成的EL222基因片段，插入到pTD103aiiA(Cm)质粒中，得到甘油菌和质粒干粉(pTD103aiiA_EL222)。(2)细菌活化及菌株的保藏①取含有pTD103aiiA_EL222质粒的甘油菌于Cm抗性的LB固体培养皿上进行平板划线活化(分区划线法)，过夜培养。②在平板上挑取单个菌落，接种于5mL、Cm抗性的LB液体培养液中，并于恒温摇床中，37℃、180r/min过夜培养。③保菌：转接30μl过夜菌液于3mL、Cm抗性的LB液体培养液中培养至对数中期(大概3-4h)，再于甘油管中，按照1:1的比例将菌液和50％的灭菌甘油混合均匀，分别于-20℃和-80℃冰箱中短期和长期保存。(3)质粒抽提(质粒小量提取试剂盒)①富集。取2mL离心管，向其中加入2mL含有pTD103aiiA_EL222质粒的菌液，12000×g离心1min,弃上清后，加入2mL菌液再次离心弃上清，以此重复。②重悬。向离心管中加入200μlSolutionI,置于涡旋仪上充分混匀至无菌块。③裂解。加入200μlSolutionII,轻柔混匀5次左右，使得溶液变为澄清状态。④中和。加入200μlSolutionIII,轻柔颠倒混匀5次左右，此时出现大量白色絮状沉淀。⑤离心沉淀。将离心管置于离心机中，12000×g离心8-10min,直至白色絮状沉淀沉到管底或管壁。⑥取吸附柱插入收集管中，吸取白色沉淀以外的上清液(不要吸到白色沉淀)于吸附柱中，12000×g离心1min。⑦倒尽滤液，往吸附柱中加入500μl的WashSolutionA,12000×g离心1min。⑧倒尽滤液，往吸附柱中加入700μl的WashSolutionB,12000×g离心1min，弃滤液，重复该步骤一次。⑨倒尽滤液，将离心管置回离心机中,12000×g空甩5min。⑩取一干净的1.5mL离心管，将吸附柱插入其中，加入50-100μlElutionSolution,静置1-2min后，12000×g离心1min,即可获得质粒。最后用超微量分光光度计测量pTD103aiiA_EL222质粒的浓度并进行记录。(4)酶切提取pTD103aiiA_EL222质粒后，用SpeⅠ限制性核酸内切酶进行酶切验证。预计目标质粒在SpeⅠ内切酶酶切后会形成两个线性片段，长度分别为1005bp和3581bp。按照表1反应体系配制好酶切体系后混匀，离心，37℃酶切30min。表1：酶切反应体系(5)琼脂糖凝胶电泳验证①取宽型有机玻璃制胶板，水平放入制胶槽中，插入梳本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种光控稳健基因振荡系统，其特征在于，包括光控基因振荡器和调控光源；所述光控基因振荡器是由光控元件与基因振荡元件在细胞中整合而成；所述调控光源包括计算调控部件和光源，所述计算调控部件能够基于所述光控基因振荡器的振荡观测值实时发出调控信号，调节所述光源的照射强度和照射时间；所述光控基因振荡器根据调节的光源照射强度和照射时间，调整其振荡行为。

【技术特征摘要】
1.一种光控稳健基因振荡系统，其特征在于，包括光控基因振荡器和调控光源；所述光控基因振荡器是由光控元件与基因振荡元件在细胞中整合而成；所述调控光源包括计算调控部件和光源，所述计算调控部件能够基于所述光控基因振荡器的振荡观测值实时发出调控信号，调节所述光源的照射强度和照射时间；所述光控基因振荡器根据调节的光源照射强度和照射时间，调整其振荡行为。2.如权利要求1所述的光控稳健基因振荡系统，其特征在于，所述光控元件为光遗传学基因表达控制模块。3.如权利要求1所述的光控稳健基因振荡系统，其特征在于，所述光源是能够引起光遗传学分子响应的特定波长的光源。4.如权利要求1所述的光控稳健基因振荡系统，其特征在于，所述计算调控部件包括具有数字逻辑运算和逻辑处理功能的计算机程序、智能移动设备、嵌入式硬件系统、数字电路、数字光路、模拟运算电路或模拟运算光路中的任意一种或其组合。5.如权利要求1...

【专利技术属性】
技术研发人员：马彬广，亓慧敏，华康剑，
申请(专利权)人：华中农业大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42