仿生構建生物邏輯系統(tǒng)和生物傳感平臺的研究.pdf

1、生物分子邏輯門是生物計算機的基本單元，它借助生物反應于分子水平執(zhí)行布爾邏輯操作，可進一步模仿電子計算機的運算功能。在這些程序化的過程中，生物分子邏輯門執(zhí)行一系列操作，包括感知輸入物質、處理分子信息、做出決策、并輸出可讀信號?；谶@種操作方式，生物分子邏輯系統(tǒng)可以促進我們了解復雜的生物活動，如基因可控表達，酶活性調節(jié)，分子信號轉導等。此外，合理設計生物邏輯門和構建生物傳感器，在邏輯傳感、智能診斷和人工智能等研究領域有著巨大的應用潛力。

2、r>　　從計算機的角度來看，生物體本身就是一個天然存在的計算機，尤其人腦作為最高級的計算機可智能地執(zhí)行操作與反饋結果，同時生物體中大量存在的生物響應和生物行為都可被邏輯調節(jié)和操控。本論文中，我們首先綜述了分子邏輯門及生物傳感器的研究情況，接著采用了仿生的思維，即利用天然存在的生物分子參與的開關反應、響應行為、網(wǎng)絡銜接、生物礦化等現(xiàn)象，構建了如下形式的生物分子邏輯系統(tǒng)與生物傳感平臺:
　　(1)基于CoA-Au(Ⅰ)配位聚合物的新型

3、熒光傳感平臺，我們模擬了三羧酸循環(huán)中酶的級聯(lián)反應，構建了一種仿生的邏輯電路。首先，我們合成了CoA-Au(Ⅰ)配位聚合物，表現(xiàn)出獨特的類RNA的結構性質，并可嵌合核酸染料分子，發(fā)出強的熒光。其次，基于CoA-Au(Ⅰ)配位聚合物的熒光傳感平臺，CoA及CoA相關酶（檸檬酸合成酶）表現(xiàn)出高靈敏且特異的響應，并用于轉換邏輯門的輸出信號。最后，通過一鍋法，將三種酶（檸檬酸合成酶，蘋果酸脫氫酶，延胡索酸酶）反應進行串聯(lián)，并以AND-AND-AN

4、D-級聯(lián)邏輯門的形式表示化學信息處理過程。這個無標記的仿生邏輯系統(tǒng)能夠嚴格地逐步執(zhí)行并輸出熒光信號，且可直接可視化讀取，對構建高密度的生物計算機有重大意義，并對生物化學研究和藥物開發(fā)具有重要指導意義。
　　(2)生物體系中特定多肽具備天然的識別功能，我們受此啟發(fā)，并充分利用多肽介導的納米粒子自組裝作用，突破性地建立了一個仿生的、通用的且功能多樣的多肽邏輯系統(tǒng)。我們發(fā)現(xiàn)，鋅離子/糜蛋白酶響應多肽介導的金納米顆粒(AuNPs)聚集變色

5、反應，產生直觀可讀的比色信號。根據(jù)定義，識別多肽被定義為計算中心，AuNPs作為信號指示器，通過合理設計多肽序列，我們構建了一系列的基本邏輯門，比如“是”門，“和”門，“或”門，“抑制”門，“意蘊”門及“與非”門。此外，我們成功獲得了組合邏輯門，即“INHIBIT-OR”邏輯門，并且基于該組合邏輯門，成功地開發(fā)了多任務的邏輯檢測方法。這種基于多肽的邏輯系統(tǒng)具有一系列優(yōu)勢，如:檢測過程直觀、快速、檢測結果比色可讀;更為重要的是，多肽作為核

6、心計算元件，具有極大的可設計性，可實現(xiàn)功能多樣的邏輯門;另外，基本邏輯門可整合集合成組合邏輯門，充分說明了此多肽邏輯系統(tǒng)有發(fā)展成為復雜的多肽邏輯回路的巨大潛力，并有望開發(fā)出多目標且平行檢測的生物邏輯傳感裝置。
　　(3)通過模擬細菌感染宿主細胞過程中轉肽酶(Sortase A)對多肽的正交連接作用，我們首次構建了一種多功能的模塊化的多肽邏輯系統(tǒng)。此Sortase A處理的多肽邏輯系統(tǒng)可以邏輯調控量子點的組裝以及細胞的凋亡。通過模塊

7、化設計多肽，我們實現(xiàn)了一些基本的邏輯門及組合邏輯門，并成功構建了復雜的功能邏輯器件，如多肽半加法器，多肽密碼鎖，最終成功應用于細胞凋亡的邏輯調控，這極大地提升了現(xiàn)有多肽邏輯門的操作復雜性?；诖四K化的多肽邏輯系統(tǒng)，我們可選取更多結構、功能優(yōu)異多肽，或引入底物序列特異的sortase突變體，以及新穎、高效的多肽連接技術，為實現(xiàn)大規(guī)模的多肽邏輯操作提供一個切實可行的平臺。同時，這一基于sortase的多肽邏輯系統(tǒng)在細胞的自修復、細胞重編程

8、、組織工程、疾病的智能診療等方面也展現(xiàn)出了深遠的意義。
　　(4)學習和利用一些生化行為，如細胞中DNA的氧化損傷及組蛋白的修飾過程等，我們構建了一種DNA氧化損傷相關酶響應的納米材料/熒光蛋白的傳感平臺。同時，通過研究納米材料與功能蛋白間的相互作用，可人為地調控化學反應的信號，開發(fā)出更為優(yōu)良的化學信號轉換方法。鑒于此，我們首次研究了氧化石墨烯(GO)對超電荷熒光蛋白(ScGFP)的高效淬滅的作用機制，發(fā)現(xiàn)了DNA保護ScGFP不

9、被GO淬滅的現(xiàn)象，開發(fā)了基于DNA介導的ScGFP/GO相互作用的熒光生物傳感器，成功用于均相、免標記的分析檢測尿嘧啶糖苷酶(UDG)的活性及其抑制劑。由于ScGFP/GO平臺的高淬滅率，以及UDG對DNA損傷的特異性識別，促使此UDG分析方法具有好的選擇性和靈敏度。同時，相比于放射性元素或染料標記的傳統(tǒng)方法，此方法有一些優(yōu)勢，包括免標記、低成本及操作簡單。另外，此方法在藥物開發(fā)方面，如堿基切除修復酶(BER)靶向的抗癌藥物的高通量篩也

10、選具有潛在優(yōu)勢。更為突出的是，該方法是通用型的，可以方便地拓展其應用，用于其它DNA相關酶的分析檢測。此項工作也從側面揭示了ScGFP與納米材料的相互作用對開發(fā)新的生物傳感機制具備廣闊的應用前景。
　　(5)我們采用仿生礦化的方法合成了多肽包裹的金納米簇(AuNCs)，并在上述研究思路的基礎上，繼續(xù)研究ScGFP與金納米簇(AuNCs)的相互作用，并構建了一種蛋白翻譯后修飾酶調控的基于AuNCs/ScGFP的免標記熒光傳感平臺，實

11、現(xiàn)了翻譯后修飾酶(Sirt1和PP1)的靈敏檢測及其抑制劑的高通量篩選。該傳感方法具有如下優(yōu)勢:a.簡單快捷、易于操作，混合就可檢測，且可通過熒光顏色變化進行裸視檢測;b.性能穩(wěn)定，可實現(xiàn)多樣品的高通量檢測;c.環(huán)境友好，反應溫和，無需添加有毒有害的化學反應試劑;d.經濟節(jié)約，無需高昂的儀器設備;e.省時省力，避免了復雜的修飾和檢測處理。同時，該方法繼承并進一步發(fā)展了上一工作中構建熒光蛋白傳感器的研究思路，即研究功能納米材料和新型熒光蛋