Сборка схем из биологических переключателей

      Комментарии к записи Сборка схем из биологических переключателей отключены

Сборка схем из биологических переключателей

Логика включения оперонов различных дорог обмена веществ у кишечной палочки близка к элементам AND и OR. Исходя из этого на их базе возможно сделать генную конструкцию, реализующую произвольную логическую схему (не через чур сложную). Существуют программы, к примеру Cello, каковые из описания логики на языке Verilog делают последовательность генной конструкции, реализующей эту логику.

Cложнее выясняется обратная задача: из последовательности природной ДНК взять описание логики ее регуляции. Начнем с несложных случаев, где нет сложных петель обратных интеграции и связей множества сигналов на одном опероне. Практически вся регуляция генов кишечной палочки удовлетворяет этим условиям.

В случае если забрать все узнаваемые регуляторные связи между генами кишечной палочки и выстроить сеть из них, то возможно подсчитать статистику «мотивов» данной сети (способов соединения элементов) и выделить самые довольно часто применяемые.

Динамика переключения генов

В прошедшей статье мы моделировали работу лактозного оперона несложной моделью с четырьмя параметрами. Время в эту модель не входило. Исходя из этого она, вообще-то, обрисовывает лишь равновесные состояния, в то время, когда уровни входных сигналов продолжительно остаются постоянными.

Для моделирования стремительных процессов при выключении и включении генов нужно учитывать дополнительные факторы.

Во-первых, существует транскрипционная задержка: от начала работы РНК-полимеразы до окончания синтеза мРНК, а после этого белков, проходит заметное время, порядка 10 мин. у кишечной палочки и от часа и более у человека. Исходя из этого скорость появления новых молекул белка зависит не от состояния промотора его гена прямо на данный момент, а от состояния промотора какое количество-то мин. назад.

Во-вторых, любой белок не только синтезируется, но и распадается. В несложном случае распад белка не управляется и каждую 60 секунд в клетке распадается фиксированная часть молекул данного белка. Чем больше их имеется, тем больше их и распадается.

Другими словами у белка имеется период полураспада, за что его концентрация падает в два раза.

Еще подробности для очень любопытных

В растущих клетках имеется второй фактор падения концентрации белка — разбавление из-за повышения количества клетки. Он описывается такой же формулой, как и распад — концентрация убывает вдвое за время от одного деления клетки до следующего.

Для выключения динамики гена и описания включения нам необходимо писать диффур:

d [ белок ] dt = A ( t ? t a u ) – k ? [ белок ]

где А — активность гена (та самая входная функция из прошедшей статьи), tau – время транскрипционной задержки, а k – скорость распада белка. В случае если A сперва равна нулю, а позже увеличивается скачком и держится на постоянном уровне, то трансформации количества белка со временем будут смотреться так:

Мотивы в генных их функции и сетях

Самый несложный мотив из характерных для кишечной палочки — петля обратной связи — складывается из одного гена, что регулирует сам себя. Чаще ген есть для себя репрессором, другими словами обратная сообщение в петле отрицательная. В случае если это основной регуляторный вход, то такая обратная сообщение в большинстве случаев помогает для стабилизации уровня белка, кодируемого геном. Такая петля обратной связи, к примеру, поддерживает постоянный уровень лактозного репрессора в клетке.

В случае если, не считая отрицательной обратной связи, имеется и другие регуляторные входы, то обратная сообщение активизирует реакцию гена на внешний сигнал.

(пунктирные линии — теоретические кривые, целые — итог опыта. Зеленые — с отрицательной обратной связью, светло синий — без нее)

Хорошая обратная сообщение (белок активирует собственный личный ген) приводит в большинстве случаев к триггерному поведению. У для того чтобы гена имеется два устойчивых состояния: он или не работает совсем, или трудится на полную мощность. Сильный, но маленький внешний сигнал может перевести ген из одного устойчивого состояния в второе, в котором он останется до следующего сигнала.

Таковой мотив может служить элементом памяти. В случае если ген «ловит» на регуляторный вход шум, то хорошая обратная сообщение приведет к сильному разбросу по активности гена между соседними клетками, растущими в однообразных условиях. Это употребляется для поддержания разнородности бактерий, растущих совместно, дабы неожиданный стресс не убил сходу всех.

К примеру, многие антибиотики нарушают процесс синтеза белка. В случае если клетка не растет и не синтезирует белки, то она легко может пережить добавление в среду антибиотиков и возвратиться к росту позднее. У кишечной палочки кроме того в совершенных условиях до 0,01% клеток находятся в таковой спячке на случай неожиданного отравления среды.

Эти дремлющие клетки (они именуются «персисторы») не отличаются от остальных по ДНК, они входят и выходят из спячки под управлением гена с хорошей входом и обратной связью для шума.

Второй простой мотив генных сетей мало сложнее. Он именуется «feed-forward loop» (петля взаимосвязи) и складывается из трех генов: ген X регулирует гены Y и Z, ген Y регулирует Z. Любая из трех связей в петле возможно активацией либо репрессией, исходя из этого в принципе вероятны 8 типов таких петель. Реально видятся в большинстве случаев два типа из восьми: или оба гена X и Y — активаторы (когерентная петля 1 типа), или X — активатор Y и Z, Y — репрессор Z (некогерентная петля 1 типа).

Поведение петли с двумя активаторами зависит от логики сотрудничества входов на Z. В случае если в петле выходной ген трудится как AND, то петля трудится как фильтр нижних частот, не пропускающий на выход маленькие импульсы. Дабы в таковой петле показался сигнал на выходе, вход (X) обязан приобретать сигнал достаточно продолжительно, дабы накопился белок X, а после этого белок Y. Лишь совместное воздействие белков X и Y включит ген Z.

В случае если ген Z трудится как OR, то функция петли делается противоположной: она пропускает на выход все импульсы, а маленькие превращает в долгие. Но она не пропускает маленькие паузы между импульсами.

Петля взаимосвязи с активатором X и репрессором Y трудится как фильтр верхних частот. Она выдает на выходе импульсы маленькой фиксированной длины (равной транскрипционной задержке гена Y) в ответ на передние фронты входных сигналов.

Третий нередкий мотив в генных сетях кишечной палочки — это одновходовой модуль (single-input module). Это легко несколько генов, управляемых одним и тем же регуляторным геном. В большинстве случаев гены в таковой группе имеют различные пороги активации, исходя из этого плавный рост концентрации транскрипционного фактора включает гены в определенном порядке.

Такая схема употребляется, к примеру, в управлении ответами на стрессы.

Четвертый, самый сложный мотив — многовходовой модуль (multi-input module, либо dense overlapping regulon). Он имеет несколько регуляторных генов, управляющих несколькими «выходными» генами.

В зависимости от логики регуляции каждого выходного гена данный мотив может трудиться весьма по-различному. Его возможно сравнить со сборкой логических элементов, которая в зависимости от соединений возможно дешифратором, счетчиком либо еще чем-нибудь. Полных описаний логики работы таких мотивов пока не существует.

Этими четырьмя мотивами фактически исчерпывается структура генных сетей кишечной палочки либо дрожжей. На их базе уже делают различные неестественные схемы. К примеру, бактерии с генератором колебаний, что к тому же синхронизируется у соседних клеток, и выходом на люминесцентные белки — полный аналог «поморгать лампочкой» у микроконтроллерщиков и «Hello World» у остальных программистов.

Добавив к данной совокупности «чувство кворума» (в то время, когда бактерии принимают, сколько собратьев их окружает), и поменяв выход с люминесценции на токсины, ученые собрали бактерии, каковые ползут вовнутрь раковых опухолей, и накопившись много, дружно погибают, высвобождая токсины и убивая опухоль (подробнее тут).

Но это бактерии и дрожжи. Генные сети животных устроены куда сложнее. В следующей части разберем одну из прекрасно изученных генных те проблемы и сетей животных, каковые появляются с их моделированием и изучением.

Прошлая статья цикла

Схема подключения проходного выключателя | переключателя.


Интересные записи на сайте:

Подобранные по важим запросам, статьи по теме: