仿生构建生物逻辑系统和生物传感平台的研究

发布时间：2018-04-04 11:16

本文选题：生物计算机　切入点：分子逻辑门　出处：《湖南大学》2016年博士论文

【摘要】：生物分子逻辑门是生物计算机的基本单元,它借助生物反应于分子水平执行布尔逻辑操作,可进一步模仿电子计算机的运算功能。在这些程序化的过程中,生物分子逻辑门执行一系列操作,包括感知输入物质、处理分子信息、做出决策、并输出可读信号。基于这种操作方式,生物分子逻辑系统可以促进我们了解复杂的生物活动,如基因可控表达,酶活性调节,分子信号转导等。此外,合理设计生物逻辑门和构建生物传感器,在逻辑传感、智能诊断和人工智能等研究领域有着巨大的应用潜力。从计算机的角度来看,生物体本身就是一个天然存在的计算机,尤其人脑作为最高级的计算机可智能地执行操作与反馈结果,同时生物体中大量存在的生物响应和生物行为都可被逻辑调节和操控。本论文中,我们首先综述了分子逻辑门及生物传感器的研究情况,接着采用了仿生的思维,即利用天然存在的生物分子参与的开关反应、响应行为、网络衔接、生物矿化等现象,构建了如下形式的生物分子逻辑系统与生物传感平台:(1)基于Co A-Au(I)配位聚合物的新型荧光传感平台,我们模拟了三羧酸循环中酶的级联反应,构建了一种仿生的逻辑电路。首先,我们合成了Co A-Au(I)配位聚合物,表现出独特的类RNA的结构性质,并可嵌合核酸染料分子,发出强的荧光。其次,基于Co A-Au(I)配位聚合物的荧光传感平台,Co A及Co A相关酶(柠檬酸合成酶)表现出高灵敏且特异的响应,并用于转换逻辑门的输出信号。最后,通过一锅法,将三种酶(柠檬酸合成酶,苹果酸脱氢酶,延胡索酸酶)反应进行串联,并以AND-AND-AND-级联逻辑门的形式表示化学信息处理过程。这个无标记的仿生逻辑系统能够严格地逐步执行并输出荧光信号,且可直接可视化读取,对构建高密度的生物计算机有重大意义,并对生物化学研究和药物开发具有重要指导意义。(2)生物体系中特定多肽具备天然的识别功能,我们受此启发,并充分利用多肽介导的纳米粒子自组装作用,突破性地建立了一个仿生的、通用的且功能多样的多肽逻辑系统。我们发现,锌离子/糜蛋白酶响应多肽介导的金纳米颗粒(Au NPs)聚集变色反应,产生直观可读的比色信号。根据定义,识别多肽被定义为计算中心,Au NPs作为信号指示器,通过合理设计多肽序列,我们构建了一系列的基本逻辑门,比如“是”门,“和”门,“或”门,“抑制”门,“意蕴”门及“与非”门。此外,我们成功获得了组合逻辑门,即“INHIBIT-OR”逻辑门,并且基于该组合逻辑门,成功地开发了多任务的逻辑检测方法。这种基于多肽的逻辑系统具有一系列优势,如:检测过程直观、快速、检测结果比色可读;更为重要的是,多肽作为核心计算元件,具有极大的可设计性,可实现功能多样的逻辑门;另外,基本逻辑门可整合集合成组合逻辑门,充分说明了此多肽逻辑系统有发展成为复杂的多肽逻辑回路的巨大潜力,并有望开发出多目标且平行检测的生物逻辑传感装置。(3)通过模拟细菌感染宿主细胞过程中转肽酶(sortasea)对多肽的正交连接作用,我们首次构建了一种多功能的模块化的多肽逻辑系统。此sortasea处理的多肽逻辑系统可以逻辑调控量子点的组装以及细胞的凋亡。通过模块化设计多肽,我们实现了一些基本的逻辑门及组合逻辑门,并成功构建了复杂的功能逻辑器件,如多肽半加法器,多肽密码锁,最终成功应用于细胞凋亡的逻辑调控,这极大地提升了现有多肽逻辑门的操作复杂性。基于此模块化的多肽逻辑系统,我们可选取更多结构、功能优异多肽,或引入底物序列特异的sortase突变体,以及新颖、高效的多肽连接技术,为实现大规模的多肽逻辑操作提供一个切实可行的平台。同时,这一基于sortase的多肽逻辑系统在细胞的自修复、细胞重编程、组织工程、疾病的智能诊疗等方面也展现出了深远的意义。(4)学习和利用一些生化行为,如细胞中dna的氧化损伤及组蛋白的修饰过程等,我们构建了一种dna氧化损伤相关酶响应的纳米材料/荧光蛋白的传感平台。同时,通过研究纳米材料与功能蛋白间的相互作用,可人为地调控化学反应的信号,开发出更为优良的化学信号转换方法。鉴于此,我们首次研究了氧化石墨烯(go)对超电荷荧光蛋白(scgfp)的高效淬灭的作用机制,发现了dna保护scgfp不被go淬灭的现象,开发了基于dna介导的scgfp/go相互作用的荧光生物传感器,成功用于均相、免标记的分析检测尿嘧啶糖苷酶(udg)的活性及其抑制剂。由于scgfp/go平台的高淬灭率,以及udg对dna损伤的特异性识别,促使此udg分析方法具有好的选择性和灵敏度。同时,相比于放射性元素或染料标记的传统方法,此方法有一些优势,包括免标记、低成本及操作简单。另外,此方法在药物开发方面,如碱基切除修复酶(ber)靶向的抗癌药物的高通量筛也选具有潜在优势。更为突出的是,该方法是通用型的,可以方便地拓展其应用,用于其它dna相关酶的分析检测。此项工作也从侧面揭示了scgfp与纳米材料的相互作用对开发新的生物传感机制具备广阔的应用前景。(5)我们采用仿生矿化的方法合成了多肽包裹的金纳米簇(auncs),并在上述研究思路的基础上,继续研究scgfp与金纳米簇(auncs)的相互作用,并构建了一种蛋白翻译后修饰酶调控的基于auncs/scgfp的免标记荧光传感平台,实现了翻译后修饰酶(sirt1和pp1)的灵敏检测及其抑制剂的高通量筛选。该传感方法具有如下优势:a.简单快捷、易于操作,混合就可检测,且可通过荧光颜色变化进行裸视检测;b.性能稳定,可实现多样品的高通量检测;c.环境友好,反应温和,无需添加有毒有害的化学反应试剂;d.经济节约,无需高昂的仪器设备;e.省时省力,避免了复杂的修饰和检测处理。同时,该方法继承并进一步发展了上一工作中构建荧光蛋白传感器的研究思路,即研究功能纳米材料和新型荧光蛋白间的相互作用就可开发出高性能的生物分析方法,这极大地丰富和扩展了荧光蛋白的应用领域。
[Abstract]:The biological molecular logic gate is a basic unit of a biological computer . It performs Boolean logic operation on the molecular level by means of biological response , and can further imitate the operation function of the electronic computer . This paper presents a series of basic logic gates , such as " gate , " and " gate , " or " gate , " suppression " gate , " implication " and " NAND " . ( 3 ) We have constructed a multi - functional modular polypeptide logic system by studying the interaction between nano - material and functional protein . ( 5 ) We synthesized polypeptide - coated gold nanoparticles ( auncs ) by the method of biomimetic mineralization , and based on the thought of the above research , the interaction between scgfp and gold nanocluster ( auncs ) was studied . The method has the following advantages : a . Simple and quick , easy to operate , mixing can be detected , and the method has the advantages of simple and quick operation , easy operation , no toxic and harmful chemical reaction reagent , low cost and no need of expensive instrument equipment ; and d . The method inherits and further develops the research thought of constructing the fluorescent protein sensor in the previous work , namely , the research on the interaction between functional nano material and novel fluorescent protein can develop high - performance biological analysis method , which greatly enriches and expands the application field of fluorescent protein .

【学位授予单位】：湖南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O657.3;TP212.3

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