仿生構(gòu)建生物邏輯系統(tǒng)和生物傳感平臺(tái)的研究.pdf

1、生物分子邏輯門是生物計(jì)算機(jī)的基本單元，它借助生物反應(yīng)于分子水平執(zhí)行布爾邏輯操作，可進(jìn)一步模仿電子計(jì)算機(jī)的運(yùn)算功能。在這些程序化的過(guò)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(zhì)、處理分子信息、做出決策、并輸出可讀信號(hào)。基于這種操作方式，生物分子邏輯系統(tǒng)可以促進(jìn)我們了解復(fù)雜的生物活動(dòng)，如基因可控表達(dá)，酶活性調(diào)節(jié)，分子信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)等。此外，合理設(shè)計(jì)生物邏輯門和構(gòu)建生物傳感器，在邏輯傳感、智能診斷和人工智能等研究領(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用潛力。

2、r>　　從計(jì)算機(jī)的角度來(lái)看，生物體本身就是一個(gè)天然存在的計(jì)算機(jī)，尤其人腦作為最高級(jí)的計(jì)算機(jī)可智能地執(zhí)行操作與反饋結(jié)果，同時(shí)生物體中大量存在的生物響應(yīng)和生物行為都可被邏輯調(diào)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(guān)反應(yīng)、響應(yīng)行為、網(wǎng)絡(luò)銜接、生物礦化等現(xiàn)象，構(gòu)建了如下形式的生物分子邏輯系統(tǒng)與生物傳感平臺(tái):
　　(1)基于CoA-Au(Ⅰ)配位聚合物的新型

3、熒光傳感平臺(tái)，我們模擬了三羧酸循環(huán)中酶的級(jí)聯(lián)反應(yīng)，構(gòu)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(dú)特的類RNA的結(jié)構(gòu)性質(zhì)，并可嵌合核酸染料分子，發(fā)出強(qiáng)的熒光。其次，基于CoA-Au(Ⅰ)配位聚合物的熒光傳感平臺(tái)，CoA及CoA相關(guān)酶（檸檬酸合成酶）表現(xiàn)出高靈敏且特異的響應(yīng)，并用于轉(zhuǎn)換邏輯門的輸出信號(hào)。最后，通過(guò)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(yīng)進(jìn)行串聯(lián)，并以AND-AND-AN

4、D-級(jí)聯(lián)邏輯門的形式表示化學(xué)信息處理過(guò)程。這個(gè)無(wú)標(biāo)記的仿生邏輯系統(tǒng)能夠嚴(yán)格地逐步執(zhí)行并輸出熒光信號(hào)，且可直接可視化讀取，對(duì)構(gòu)建高密度的生物計(jì)算機(jī)有重大意義，并對(duì)生物化學(xué)研究和藥物開發(fā)具有重要指導(dǎo)意義。
　　(2)生物體系中特定多肽具備天然的識(shí)別功能，我們受此啟發(fā)，并充分利用多肽介導(dǎo)的納米粒子自組裝作用，突破性地建立了一個(gè)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(yīng)多肽介導(dǎo)的金納米顆粒(AuNPs)聚集變色

5、反應(yīng)，產(chǎn)生直觀可讀的比色信號(hào)。根據(jù)定義，識(shí)別多肽被定義為計(jì)算中心，AuNPs作為信號(hào)指示器，通過(guò)合理設(shè)計(jì)多肽序列，我們構(gòu)建了一系列的基本邏輯門，比如“是”門，“和”門，“或”門，“抑制”門，“意蘊(yùn)”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(wù)的邏輯檢測(cè)方法。這種基于多肽的邏輯系統(tǒng)具有一系列優(yōu)勢(shì)，如:檢測(cè)過(guò)程直觀、快速、檢測(cè)結(jié)果比色可讀;更為重要的是，多肽作為核

6、心計(jì)算元件，具有極大的可設(shè)計(jì)性，可實(shí)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(shuō)明了此多肽邏輯系統(tǒng)有發(fā)展成為復(fù)雜的多肽邏輯回路的巨大潛力，并有望開發(fā)出多目標(biāo)且平行檢測(cè)的生物邏輯傳感裝置。
　　(3)通過(guò)模擬細(xì)菌感染宿主細(xì)胞過(guò)程中轉(zhuǎn)肽酶(Sortase A)對(duì)多肽的正交連接作用，我們首次構(gòu)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(diào)控量子點(diǎn)的組裝以及細(xì)胞的凋亡。通過(guò)模塊

7、化設(shè)計(jì)多肽，我們實(shí)現(xiàn)了一些基本的邏輯門及組合邏輯門，并成功構(gòu)建了復(fù)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(yīng)用于細(xì)胞凋亡的邏輯調(diào)控，這極大地提升了現(xiàn)有多肽邏輯門的操作復(fù)雜性?；诖四K化的多肽邏輯系統(tǒng)，我們可選取更多結(jié)構(gòu)、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(shù)，為實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的多肽邏輯操作提供一個(gè)切實(shí)可行的平臺(tái)。同時(shí)，這一基于sortase的多肽邏輯系統(tǒng)在細(xì)胞的自修復(fù)、細(xì)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(yuǎn)的意義。
　　(4)學(xué)習(xí)和利用一些生化行為，如細(xì)胞中DNA的氧化損傷及組蛋白的修飾過(guò)程等，我們構(gòu)建了一種DNA氧化損傷相關(guān)酶響應(yīng)的納米材料/熒光蛋白的傳感平臺(tái)。同時(shí)，通過(guò)研究納米材料與功能蛋白間的相互作用，可人為地調(diào)控化學(xué)反應(yīng)的信號(hào)，開發(fā)出更為優(yōu)良的化學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)換方法。鑒于此，我們首次研究了氧化石墨烯(GO)對(duì)超電荷熒光蛋白(ScGFP)的高效淬滅的作用機(jī)制，發(fā)現(xiàn)了DNA保護(hù)ScGFP不

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

10、選具有潛在優(yōu)勢(shì)。更為突出的是，該方法是通用型的，可以方便地拓展其應(yīng)用，用于其它DNA相關(guān)酶的分析檢測(cè)。此項(xiàng)工作也從側(cè)面揭示了ScGFP與納米材料的相互作用對(duì)開發(fā)新的生物傳感機(jī)制具備廣闊的應(yīng)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(chǔ)上，繼續(xù)研究ScGFP與金納米簇(AuNCs)的相互作用，并構(gòu)建了一種蛋白翻譯后修飾酶調(diào)控的基于AuNCs/ScGFP的免標(biāo)記熒光傳感平臺(tái)，實(shí)

11、現(xiàn)了翻譯后修飾酶(Sirt1和PP1)的靈敏檢測(cè)及其抑制劑的高通量篩選。該傳感方法具有如下優(yōu)勢(shì):a.簡(jiǎn)單快捷、易于操作，混合就可檢測(cè)，且可通過(guò)熒光顏色變化進(jìn)行裸視檢測(cè);b.性能穩(wěn)定，可實(shí)現(xiàn)多樣品的高通量檢測(cè);c.環(huán)境友好，反應(yīng)溫和，無(wú)需添加有毒有害的化學(xué)反應(yīng)試劑;d.經(jīng)濟(jì)節(jié)約，無(wú)需高昂的儀器設(shè)備;e.省時(shí)省力，避免了復(fù)雜的修飾和檢測(cè)處理。同時(shí)，該方法繼承并進(jìn)一步發(fā)展了上一工作中構(gòu)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