一種生物傳感器的邏輯細胞模型設計與合成方法
【專利摘要】本發明公布了一類轉基因細胞系或合成細胞的納米生物計算機和網絡模型，以及細胞通訊內外信號傳導通道系統的基因調控回路的設計模型和人工合成方法，表達載體的啟動子設計與合成，建立轉基因細胞系，用于細胞傳感器的藥物分析與篩選、環境分子監測，以及干細胞基因治療等。
【專利說明】一種生物傳感器的邏輯細胞模型設計與合成方法
【技術領域】
[0001]基因工程、合成生物學等生物技術，一種用作活體(wet)生物計算機的細胞通訊分子系統模型設計與基因回路人工合成方法。
【背景技術】
[0002]用于遺傳疾病基因表達分析和藥物分子篩選的細胞傳感器芯片，采用人工設計分子模塊或生物磚塊(b1-brick)的合成細胞、轉基因細胞系和微流控芯片技術集成，用于分子藥物分析與篩選的微流控細胞芯片和配套試劑盒，實現腫瘤早期和遺傳疾病的基因表達分析和醫學檢測，可用于治療的藥物分子高通量化和規模化篩選的細胞芯片和試劑盒。
[0003]20世紀90年代，在細胞計算機和非諾依曼計算機模型的基礎上，1994年中科院曾杰(邦哲)發表細胞仿生工程和生物分子計算機研究的系統生物工程概念(論系統生物工程范疇，轉基因動物通訊，中科院，1994年6月)，包括，基因組藍圖設計、生物機器裝配的仿生學與基因工程整合概念。1999年曾杰(邦哲)建立系統生物科學與工程網站-生物系統網絡(b1system network),設計了仿生工程和轉基因技術結合的細胞內分子電子線路概念圖，提出把遺傳信息系統看作基因組智能(genomic intelligence)人工編制基因程序,重新設計細胞內復雜生物分子相互作用網絡，使細胞成為人工生命系統，2002年在德國提出分子模塊、細胞器、基因群設計細胞和細胞信號通訊與行為的生物計算機模型(Automaticcell, the b1-computer),拓展了多元細胞計算機與層次的概念。
[0004]1994年L.Adleman發表了 DNA分子計算機研究，1999年-2000年R.Weiss等在DNA分子計算機的基礎上開始發表活體(wet)或基因工程的細胞計算機研究，2000年國際系統生物學與合成生物學的興起，采用合成生物學技術的細胞計算機研究成為一個新的熱點，可用于有關數學難題的運算和生物傳感器研究，尤其在分子監測、環境監控和醫療衛生領域成為開發納米生物分子機器的重要發展方向。
[0005]病理和疾病檢測、藥理和藥物篩選的基因與遺傳學分析是生物醫學檢測和制藥工業常規技術。不同病理狀態、發育階段或藥物處理細胞的信號傳導路徑和基因差異表達的生物分析技術，可應用于疾病相關基因的病理診斷、藥物分析與藥物篩選。細胞傳感器設計與微流控芯片技術集成，分析樣品微量化和技術高通量化，提供可批量化的醫療檢測和藥物分子種類規模化的篩選分析等。可廣泛應用于醫療疾病檢測、藥物發現和藥物篩選與分析等生物技術和醫學領域，遺傳疾病和腫瘤疾病等診斷與動植物藥物分子檢測實驗室、藥物分子篩選和制藥工業研究實驗室等。
【發明內容】
[0006]采用合成生物學的人工細胞設計原理，設計與合成細胞信號傳導路徑和基因調控網絡的分子模塊(b1-brick)，用于靶向細胞信號傳導路徑的藥物分析和篩選。
[0007]人工設計與合成細胞分子模塊的傳感器設計，一種用于藥物篩選的細胞傳感器和生物計算機，在于細胞分子系統模塊的設計與合成方法與技術，該細胞模型設計在于一種人工細胞，包括，神經元、內分泌細胞與免疫細胞等通訊網絡設計。
[0008]人工細胞的分子模塊設計與基因回路(gene circuit)合成與轉基因細胞建系，人工設計與合成基因、基因鏈、信號傳導網絡等，對細胞進行改造與重編程序，可以做復雜的計算與信息處理。一類設計方法在于基因表達啟動子序列的調控結構和轉錄因子結合位點，啟動子基因序列，受轉錄因子等調控特異性表達的結構基因，結構基因為可檢測表達信號和定量的熒光蛋白質類基因。受調控表達的基因，也可以是其它可作用于檢測信號分子的蛋白質或酶等分子。轉錄因子為一些特定的信號傳導通道，包括，磷酸化酶等修飾或調控的蛋白質相互作用分子網絡，包括，各類調控基因表達的蛋白質，轉錄因子的DNA結合序列插入各類型的表達載體，添加、取代或部分取代非特異性表達啟動子序列，從而，使基因表達受控于轉錄因子的結合活性。
[0009]藥物分子作用于細胞信號傳導激發或抑制轉錄因子活性，激活或抑制基因表達，從而，通過熒光蛋白質等表達強弱分析藥物的作用和效應。調控信號蛋白質或其它生物分子表達和定量的信號傳導通道，包括，特異受體蛋白質和GCP等受體偶聯分子的信號傳導或分子作用網絡，調控基因表達的分子，以及核激素受體等蛋白質分子或類固醇激素分子坐寸ο
[0010]細胞傳感器、轉基因細胞系或人工設計的細胞，可用于微流控芯片高通量藥物分子與篩選。用于轉基因建系、人工設計與合成的細胞，包括，各類通用動植物細胞，正常和病理細胞，也包括，干細胞和各類分化細胞，如，神經細胞、血液細胞、上皮細胞等。不同細胞類型，神經元、內分泌細胞等，也可以同時在一塊芯片上培育，并人工設計與合成的基因回路和表達，可以建立不同細胞系之間的分子通訊或相互作用網絡等。
[0011]細胞的分子網絡和基因、蛋白質、代謝產物等精細分析，采用微流控芯片技術集成分析化學、生物技術操作流程，用于病理、藥理的基因表達與藥物分析:1)與微流控細胞芯片不同，在人工設計和轉基因表達的細胞信號傳導路徑和基因調控回路；2)與細胞傳感器不同，在于微流控芯片集成，轉基因細胞系、合成細胞，人工設計與合成的細胞信號傳導路徑和基因調控網絡。
圖1.是轉錄因子調控基因表達示意圖
藥物(drug)作用于細胞信號傳導(signal transduct1n)通道，通過轉錄因子(transcript1nal factor)調控,激發或抑制基因表達(RNA),從而,可通過檢測表達蛋白質(GFP)的強弱分析藥物效應。設計不同類型信號通道的轉錄因子調控基因表達載體和轉基因細胞系或合成細胞，可以用于普通細胞培育方法分析，也可以集成在細胞芯片進行搞通量規模化對不同藥物或藥物作用于不同信號通道的藥物分析與篩選。
【權利要求】
1.一種用于藥物篩選的細胞傳感器和生物計算機，在于細胞分子系統模塊的設計與合成技術方法；
2.該細胞模型設計在于一種人工細胞，包括，神經元、內分泌細胞與免疫細胞等通訊網絡設計；
3.用于轉基因建系，或人工設計的細胞系，包括，CHO等一股細胞系，不限于哺乳動物細胞，也包括其它動物、植物和人體正常或病理細胞系；
4.這類細胞系，也包括，干細胞、分化細胞，如，胚胎干細胞，分化的神經細胞、內皮細胞、肌肉細胞、內分泌細胞和淋巴細胞等血細胞等；
5.人工設計與合成基因、基因鏈、信號傳導網絡等，對細胞進行改造與重編程序，可以做復雜的計算與信息處理；
6.一類設計方法在于基因表達啟動子序列的調控結構和轉錄因子結合位點；
7.啟動子基因序列，受轉錄因子等調控特異性表達的結構基因，結構基因為可檢測表達信號和定量的熒光蛋白質類基因；
8.受調控表達的基因，也可以是其它可作用于檢測信號分子的蛋白質或酶等分子； 轉錄因子為一些特定的信號傳導通道，包括，磷酸化酶等修飾或調控的蛋白質相互作用分子網絡；
9.藥物分子作用于細胞信號傳導激發或抑制轉錄因子活性，激活或抑制基因表達，從而，通
10.過熒光蛋白質等表達強弱分析藥物的作用和效應；
11.這些轉錄因子的與DNA結合序列,包括，c-fos,C-Jun, Egr-1, Pit-1和cAMP結合位點等，任何一類轉錄因子的DNA結合序列；
12.轉錄因子結合位點序列，通過基因和載體構建，插入各類通用表達載體的啟動子，包括，取代或部分取代CMV等非特異性表達的啟動子調控序列；
13.用于基因表達信號檢測的熒光蛋白質等，調控基因表達的啟動子結合位點序列可以是一個或多個轉錄因子結合序列；
14.調控信號蛋白質或其它生物分子表達和定量的信號傳導通道，包括，特異受體蛋白質和GCP等受體偶聯分子的信號傳導或分子作用網絡；
15.調控基因表達的分子，也包括，核激素受體等蛋白質分子或類固醇激素分子等；
16.藥物靶向作用于信號傳導通道，激活轉錄因子進入細胞核與基因啟動子結合，調控轉基因熒光蛋白質的表達，從而，可以定性鑒別和定量檢測藥物作用的信號通道和藥理效應；
17.細胞傳感器、轉基因細胞系或人工設計的細胞系，可用于一股的細胞培育或多孔板培育，也可用于微流控芯片高通量藥物分析與分子篩選；
18.這類芯片是微流控芯片(micro-fluidicchip),可以集成不同的小槽內培育不同細胞系，通過芯片儀器的軟件控制微槽的液體流動和操作流程；
19.不同細胞類型，神經元、內分泌細胞等，也可以同時在一塊芯片上培育，并人工設計與合成的基因回路和表達，可以建立不同細胞系之間的分子通訊或相互作用網絡。
【文檔編號】C12N5/10GK104250634SQ201410072280
【公開日】2014年12月31日 申請日期:2014年2月28日 優先權日:2014年2月28日
【發明者】曾杰 申請人:曾杰