基于金属离子调控基因表达构建可控的分子逻辑计算模型研究

The research of Molecular computing is primarily carried out in vitro and intracellular environments. In vitro model is a logical model constructed in vitro, while Living logical computing is applying the Genetic engineering, through regulating the gene expression to construction biosensor is the way to achieve the control of information and expression. Biosensor takes Cell and other related ion as basic material, via controllable genetic engineering to build Molecular logic elements, and then accomplish the information transmission and processing. In the meanwhile we intend to use the group effect to construct biosensors between different cells, in order to achieve in vivo calculation further more. The main aspects are as following:1）Using the metal chromium ion as the different logical model, to achieve external signal’ logical model of microbial gene expression;2）Using microbial group effect to establish the intercellular logic calculation model 3）Using the relationship between metal ions and microorganisms to structure the biosensor inside the cells , which could be used in environmental governance, disease surveillance, etc.

分子计算的研究主要是在体外和细胞内两种环境中进行。离体模型是在试管内构建的逻辑模型，活体逻辑计算则运用基因工程技术，通过调控细胞内的基因表达来构建生物传感器，实现信息的控制和表达。活体生物传感器以细胞及其相关离子为基本材料，通过可控的基因工程来构建分子逻辑元件，进而完成信息传递与处理。本项目拟通过合成目的基因，采用DNA拼接技术、质粒转导等基因工程的方法实现外界信号对活体细胞基因表达的调控，并利用其构建一些逻辑结构，实现活体逻辑结构。同时拟利用微生物的群体效应在不同细胞间构建生物传感器，更进一步的在活体内实现计算过程。主要通过以下方面实现：⑴拟利用金属铬离子作为外界信号构建不同的逻辑模型，实现外界信号对微生物基因表达调控的逻辑模型；⑵拟利用微生物的群体效应构建细胞间的逻辑计算模型；⑶拟利用金属离子和微生物的这种关系在细胞内构建生物传感器，这些传感器可以用于环境治理、疾病监测等。

本项目旨在研究基于金属离子调控基因表达构建可控的分子逻辑计算模型并进一步深入探讨其应用前景。本课题组充分研读、借助该领域国内外最新研究进展，借助DNA特性及金属离子的特殊性能完成基于金属离子的分子逻辑计算模型这一项目；同时发现多项有深入研究价值的新领域，并完成了部分探索性工作，为之后研究打下基础。主要研究内容包括基于金属离子调控的分子逻辑模型实现不同的DNA计算及其在具体问题上的应用；分析了生物计算机发展过程中可能出现的相关技术问题并探索其解决实际问题的能力；同时发现生物计算的思想可以用来分析和研究人类疾病的发生发展规律和调控机制。本项目组以DNA链置换技术为基础，通过DNA结合荧光基团、猝灭基团、金属离子、G-四链体、氧化石墨烯等构建了逻辑计算模型及其级联，通过生物实验验证执行逻辑计算元件功能；提出了基于金属离子的多重逻辑门及荧光放大器，基于DNA酶的分子探针模型，基于G-四链体构建的无酶无标记生物传感器，基于氧化石墨烯的生物逻辑模型，基于G-四链体及氧化石墨烯的多重逻辑门，蚁群算法规划最优路线研究，以及基于生物规则构造人工合成基因电路等，为未来设计复杂逻辑门提供了新的思路等。此外本项目组对可控条件进行深入的研究，对所设计逻辑模型进行正交实验、优化实验及性能测定等多项实验，对可控条件有了进一步深入实验结果，使其可成为定量表达而不仅仅是经验性表达；此外引入了一些新型的生物工程技术和仿真技术，为之后的研究提供了一定的理论依据和现实意义。