以蛋白质相互作用为核心的生物振荡器的研究与设计

合成生物学是一门快速发展的新兴交叉学科，其中的一个关键问题是生物振荡器的机理研究与设计。针对该问题，本项目将以蓝藻昼夜节律系统的三个关键蛋白KaiA/KaiB/KaiC组成的不依赖于转录调节的生物振荡器为研究对象，采用计算机合理设计与实验相结合的手段，研究KaiABC体系实现周期性振荡行为的机理，着重分析这三个蛋白质之间的亲和力对其周期性振荡功能的影响，确定这个以蛋白质相互作用为核心的生物振荡器所需的蛋白质亲和力参数条件，并采用蛋白质正交相互作用设计的手段来设计独立的突变体生物振荡器。该项目预期将揭示KaiABC振荡器的形成机理，实现人工设计基于蛋白质相互作用的生物振荡器，并建立其设计规范。项目的研究成果对于认识KaiABC振荡器以及生物钟的机理将有重要意义，并可以为生物节律的控制与应用、以及合成生物学中生物振荡器的设计等提供新的理论和实际途径。

按照本项目的计划，本项目开展了一系列的研究工作，整体研究方案与项目研究计划基本一致，并取得了相应的研究成果。本研究中，我们利用一个天然的蛋白质相互作用模块网络（KaiA/KaiB/KaiC生物钟振荡子体系）作为模型，研究了该蛋白质相互作用网络的结构和功能的关系。我们建立了该体系的体外重构振荡实验，并通过一系列的生物信息学分析和文献分析，预测了蛋白间相互作用界面的关健残基。我们构建了一系列KaiA、KaiB和KaiC蛋白的单点和多点突变体，并表达纯化，用于研究这些突变体对该体外重构振荡体系的影响。为分析蛋白质单体与寡聚状态之间的动态转变对该体系动力学性质的影响，我们分别构建了KaiA和KaiB蛋白的共价二聚体，并研究了它们对该体外振荡体系的影响。最后，我们还根据文献资料，建立了该体系的数学模型，用于预测和分析我们的实验结果。此外，在方法学上，我们开展了蛋白质相互作用界面的预测、蛋白质-蛋白质相互作用关键残基预测分析、蛋白质-多肽复合物预测及关键残基分析、蛋白质功能位点分析等方面的研究，并取得了一些进展。我们在该项目上的研究成果，将有助于对该体系以及蛋白质相互作用网络结构与功能的深入研究。