生物双稳态理论与相关合成生物学研究

论文摘要

在生物体系中,双稳态是广泛存在的,从lambda噬菌体基因调控开关到大肠杆菌的菌毛的有无;从乳糖代谢过程中的All-to-None现象到真核生物的表观遗传现象。这些双稳态现象背后的分子生物学机制和相应的理论模型值得深入研究。首先,这些双稳态具有很重要的生物学功能和生理意义。比如,大肠杆菌菌毛的有无表型分化解决了细菌的菌毛能够吸附到宿主细胞同时又能够被宿主的免疫系统识别和攻击的悖论。其次,双稳态是最基本的非线性系统,对它进行理论研究能够帮助我们发展更多生物学的理论模型。我的关于双稳态理论的工作分成两部分。第一部分是利用尽可能简化的理论模型描述大肠杆菌在耐药性上的表型分化现象。目前60%的细菌重复感染是由处于休眠态的耐药性个体造成的,所以找到导致这种细菌休眠的分子机制是非常重要的。通过对HipBA这对toxin-antitoxin模块的理论建模,我发现HipB中的协同作用对于出现耐药性的表型分化至关重要。另外模型还能够解释为什么在生长速度较快的时候不能产生新的耐药性个体。第二部分,在定量试验数据最为丰富的lambda基因开关系统中,我们试图引入最精细的理论模型解决一些前人不能解释的试验现象。这个模型同时考虑了阻遏蛋白寻找其结合位点的机制和最新的有关DNA looping的分子机制,然后采用基于统计物理知识的定量模型去拟合必要的in vivo参数,最后通过把这些拟合的参数应用到上述定量模型。通过这个模型,我解释了为什么溶源态那么稳定和为什么Cro相对于CI是一个较弱的阻遏蛋白。同时,这个模型还能够预测Cro在溶源态被诱导的过程中起的作用比lambda噬菌体感染过程中的作用要大。由于双稳态是一个最基本的生物模块,我们可以把它跟其它生物学模块拼接成具有全新功能的模块。本文试图把双稳态模块与一个或非门的逻辑模块拼接成一个时序性逻辑元件。这个时序性逻辑元件的输出是由输入信号和它内部的状态决定的。这个新元件对于同样一个输入它会有不同的输出。更进一步来说,我们设计的这个生物元件还能够完成0-1的二进制生物计数器的功能。在构建这个元件的过程中,我们结合了理性设计和定向进化的策略。在成功地设计了记忆模块和或非门逻辑模块以后,我们利用定向进化的方式得到时序性逻辑元件。我们通过调节LacI和CIind-的核糖体结合位点（RBS）,分别改变LacI和CIind-的表达量,最后通过筛选的方法得到了几个成功的突变体。这些突变体能够完成在给同样的输入信号刺激的条件下它们能够基于内部状态给出不同的输出信号。同时,我们还设计了一系列对照试验证明只有我们设计的网络才能完成上述功能。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 概述
• 1.1 理论生物学的发展
• 1.2 几种理论生物学常用的研究方法
• 1.2.1 布尔逻辑运算
• 1.2.2 非线性常微分方程方法
• 1.2.3 随机动力学模拟方法
• 1.3 双稳态研究在理论生物学中的意义
• 1.4 合成生物的发展和现状
• 1.5 本论文的概况
• 第二章 生物系统中的双稳态
• 引言
• 2.1 大肠杆菌乳糖（LACTOSE）代谢网络中的双稳态
• 2.1.1 乳糖代谢通路中的双稳态
• 2.1.2 乳糖代谢相关网络的精细结构
• 2.2 LAMBDA 噬菌体对溶源态或溶菌态抉择
• 2.2.1 lambda 噬菌体的生命周期
• 2.2.2 lambda 噬菌体的生命周期的基因调控网络
• 2.2.3 lambda 噬菌体中的基因开关
• 2.3 大肠杆菌的耐药性双稳态现象
• 2.3.1 微生物中有关耐药性的表型分化现象
• 2.3.2 控制这种表型分化的分子机制
• 2.4 细菌－宿主相互作用相关的双稳态现象
• 2.4.1 Type I 型菌毛的全有和全无现象
• 第三章 对生物双稳态系统的理论建模工作（I）
• 3.1 耐药性细菌和TOXIN-ANTITOXIN 模块
• 3.2 理论模型
• 3.2.1 最简单的理论模型
• 3.2.2 这个模型没有双稳态
• 3.2.3 考虑了协同作用的理论模型
• 3.3 改良后的模型重现了双稳态现象和生长速率的影响
• 3.4 小结
• 第四章 对生物双稳态的系统理论建模工作（II）
• 4.1 LAMBDA 基因调控开关的定量试验结果
• 4.2 转录因子寻找其特异结合位点的机制
• 4.3 改进后的热动力学理论模型
• basal_quasi 2d^CI₂'>4.3.1 引入参数△G_{basalquasi 2d}^CI₂
• oct'>4.3.2 引入参数ΔG _oct
• 4.3.3 拟合试验所用的定量试验体系
• 4.3.4 基于统计物理的定量模型
• 4.4 LAMBDA 基因调控开关定量模拟结果
• basal_quasi 2d^CI₂和ΔG_oct'>4.4.1 拟合两个必要参数△G_{basalquasi 2d}^CI₂和ΔG_oct
• 4.4.2 Lambda 的溶源态是绝对稳定的
• 4.4.3 Cro 的生物学功能
• 4.5 小结
• 第五章 生物中的模块及其在合成生物学中的应用
• 5.1 DNA 层次的生物模块
• 5.2 RNA 层次的生物模块
• 5.3 蛋白质层次的生物模块
• 5.4 生物网络层次的生物模块
• 5.5 人工合成的生物网络模块
• 第六章 人工合成时序性基因逻辑开关的研究
• 6.1 合成生物学与时序性逻辑元件概述
• 6.2 试验设计与试验原理
• 6.2.1 具体的基因网络设计
• 6.2.2 二进制基因计数器的布尔逻辑演化图
• 6.3 试验过程和结果
• 6.3.1 理性设计双稳态的试验
• 6.3.2 关于或非逻辑元件的试验
• 6.3.3 连接因子LacI 的质粒构建
• 6.4 用定向进化的方法微调双稳态元件
• 6.5 用定向进化方法构建二进制基因计数器
• 6.5.1 定向进化中突变靶点的选取
• 6.5.2 定向进化的试验过程和结果
• 6.6 对照试验
• 6.7 小结
• 总结
• 参考文献
• 已完成工作
• 致谢