一種生物傳感器的邏輯細(xì)胞模型設(shè)計(jì)與合成方法
【專利摘要】本發(fā)明公布了一類轉(zhuǎn)基因細(xì)胞系或合成細(xì)胞的納米生物計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)模型，以及細(xì)胞通訊內(nèi)外信號(hào)傳導(dǎo)通道系統(tǒng)的基因調(diào)控回路的設(shè)計(jì)模型和人工合成方法，表達(dá)載體的啟動(dòng)子設(shè)計(jì)與合成，建立轉(zhuǎn)基因細(xì)胞系，用于細(xì)胞傳感器的藥物分析與篩選、環(huán)境分子監(jiān)測(cè)，以及干細(xì)胞基因治療等。
【專利說明】一種生物傳感器的邏輯細(xì)胞模型設(shè)計(jì)與合成方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]基因工程、合成生物學(xué)等生物技術(shù)，一種用作活體(wet)生物計(jì)算機(jī)的細(xì)胞通訊分子系統(tǒng)模型設(shè)計(jì)與基因回路人工合成方法。
【背景技術(shù)】
[0002]用于遺傳疾病基因表達(dá)分析和藥物分子篩選的細(xì)胞傳感器芯片，采用人工設(shè)計(jì)分子模塊或生物磚塊(b1-brick)的合成細(xì)胞、轉(zhuǎn)基因細(xì)胞系和微流控芯片技術(shù)集成，用于分子藥物分析與篩選的微流控細(xì)胞芯片和配套試劑盒，實(shí)現(xiàn)腫瘤早期和遺傳疾病的基因表達(dá)分析和醫(yī)學(xué)檢測(cè)，可用于治療的藥物分子高通量化和規(guī)?；Y選的細(xì)胞芯片和試劑盒。
[0003]20世紀(jì)90年代，在細(xì)胞計(jì)算機(jī)和非諾依曼計(jì)算機(jī)模型的基礎(chǔ)上，1994年中科院曾杰(邦哲)發(fā)表細(xì)胞仿生工程和生物分子計(jì)算機(jī)研究的系統(tǒng)生物工程概念(論系統(tǒng)生物工程范疇，轉(zhuǎn)基因動(dòng)物通訊，中科院，1994年6月)，包括，基因組藍(lán)圖設(shè)計(jì)、生物機(jī)器裝配的仿生學(xué)與基因工程整合概念。1999年曾杰(邦哲)建立系統(tǒng)生物科學(xué)與工程網(wǎng)站-生物系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)(b1system network),設(shè)計(jì)了仿生工程和轉(zhuǎn)基因技術(shù)結(jié)合的細(xì)胞內(nèi)分子電子線路概念圖，提出把遺傳信息系統(tǒng)看作基因組智能(genomic intelligence)人工編制基因程序,重新設(shè)計(jì)細(xì)胞內(nèi)復(fù)雜生物分子相互作用網(wǎng)絡(luò)，使細(xì)胞成為人工生命系統(tǒng)，2002年在德國(guó)提出分子模塊、細(xì)胞器、基因群設(shè)計(jì)細(xì)胞和細(xì)胞信號(hào)通訊與行為的生物計(jì)算機(jī)模型(Automaticcell, the b1-computer),拓展了多元細(xì)胞計(jì)算機(jī)與層次的概念。
[0004]1994年L.Adleman發(fā)表了 DNA分子計(jì)算機(jī)研究，1999年-2000年R.Weiss等在DNA分子計(jì)算機(jī)的基礎(chǔ)上開始發(fā)表活體(wet)或基因工程的細(xì)胞計(jì)算機(jī)研究，2000年國(guó)際系統(tǒng)生物學(xué)與合成生物學(xué)的興起，采用合成生物學(xué)技術(shù)的細(xì)胞計(jì)算機(jī)研究成為一個(gè)新的熱點(diǎn)，可用于有關(guān)數(shù)學(xué)難題的運(yùn)算和生物傳感器研究，尤其在分子監(jiān)測(cè)、環(huán)境監(jiān)控和醫(yī)療衛(wèi)生領(lǐng)域成為開發(fā)納米生物分子機(jī)器的重要發(fā)展方向。
[0005]病理和疾病檢測(cè)、藥理和藥物篩選的基因與遺傳學(xué)分析是生物醫(yī)學(xué)檢測(cè)和制藥工業(yè)常規(guī)技術(shù)。不同病理狀態(tài)、發(fā)育階段或藥物處理細(xì)胞的信號(hào)傳導(dǎo)路徑和基因差異表達(dá)的生物分析技術(shù)，可應(yīng)用于疾病相關(guān)基因的病理診斷、藥物分析與藥物篩選。細(xì)胞傳感器設(shè)計(jì)與微流控芯片技術(shù)集成，分析樣品微量化和技術(shù)高通量化，提供可批量化的醫(yī)療檢測(cè)和藥物分子種類規(guī)模化的篩選分析等?？蓮V泛應(yīng)用于醫(yī)療疾病檢測(cè)、藥物發(fā)現(xiàn)和藥物篩選與分析等生物技術(shù)和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，遺傳疾病和腫瘤疾病等診斷與動(dòng)植物藥物分子檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室、藥物分子篩選和制藥工業(yè)研究實(shí)驗(yàn)室等。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0006]采用合成生物學(xué)的人工細(xì)胞設(shè)計(jì)原理，設(shè)計(jì)與合成細(xì)胞信號(hào)傳導(dǎo)路徑和基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的分子模塊(b1-brick)，用于靶向細(xì)胞信號(hào)傳導(dǎo)路徑的藥物分析和篩選。
[0007]人工設(shè)計(jì)與合成細(xì)胞分子模塊的傳感器設(shè)計(jì)，一種用于藥物篩選的細(xì)胞傳感器和生物計(jì)算機(jī)，在于細(xì)胞分子系統(tǒng)模塊的設(shè)計(jì)與合成方法與技術(shù)，該細(xì)胞模型設(shè)計(jì)在于一種人工細(xì)胞，包括，神經(jīng)元、內(nèi)分泌細(xì)胞與免疫細(xì)胞等通訊網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)。
[0008]人工細(xì)胞的分子模塊設(shè)計(jì)與基因回路(gene circuit)合成與轉(zhuǎn)基因細(xì)胞建系，人工設(shè)計(jì)與合成基因、基因鏈、信號(hào)傳導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)等，對(duì)細(xì)胞進(jìn)行改造與重編程序，可以做復(fù)雜的計(jì)算與信息處理。一類設(shè)計(jì)方法在于基因表達(dá)啟動(dòng)子序列的調(diào)控結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合位點(diǎn)，啟動(dòng)子基因序列，受轉(zhuǎn)錄因子等調(diào)控特異性表達(dá)的結(jié)構(gòu)基因，結(jié)構(gòu)基因?yàn)榭蓹z測(cè)表達(dá)信號(hào)和定量的熒光蛋白質(zhì)類基因。受調(diào)控表達(dá)的基因，也可以是其它可作用于檢測(cè)信號(hào)分子的蛋白質(zhì)或酶等分子。轉(zhuǎn)錄因子為一些特定的信號(hào)傳導(dǎo)通道，包括，磷酸化酶等修飾或調(diào)控的蛋白質(zhì)相互作用分子網(wǎng)絡(luò)，包括，各類調(diào)控基因表達(dá)的蛋白質(zhì)，轉(zhuǎn)錄因子的DNA結(jié)合序列插入各類型的表達(dá)載體，添加、取代或部分取代非特異性表達(dá)啟動(dòng)子序列，從而，使基因表達(dá)受控于轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)合活性。
[0009]藥物分子作用于細(xì)胞信號(hào)傳導(dǎo)激發(fā)或抑制轉(zhuǎn)錄因子活性，激活或抑制基因表達(dá)，從而，通過熒光蛋白質(zhì)等表達(dá)強(qiáng)弱分析藥物的作用和效應(yīng)。調(diào)控信號(hào)蛋白質(zhì)或其它生物分子表達(dá)和定量的信號(hào)傳導(dǎo)通道，包括，特異受體蛋白質(zhì)和GCP等受體偶聯(lián)分子的信號(hào)傳導(dǎo)或分子作用網(wǎng)絡(luò)，調(diào)控基因表達(dá)的分子，以及核激素受體等蛋白質(zhì)分子或類固醇激素分子坐寸ο
[0010]細(xì)胞傳感器、轉(zhuǎn)基因細(xì)胞系或人工設(shè)計(jì)的細(xì)胞，可用于微流控芯片高通量藥物分子與篩選。用于轉(zhuǎn)基因建系、人工設(shè)計(jì)與合成的細(xì)胞，包括，各類通用動(dòng)植物細(xì)胞，正常和病理細(xì)胞，也包括，干細(xì)胞和各類分化細(xì)胞，如，神經(jīng)細(xì)胞、血液細(xì)胞、上皮細(xì)胞等。不同細(xì)胞類型，神經(jīng)元、內(nèi)分泌細(xì)胞等，也可以同時(shí)在一塊芯片上培育，并人工設(shè)計(jì)與合成的基因回路和表達(dá)，可以建立不同細(xì)胞系之間的分子通訊或相互作用網(wǎng)絡(luò)等。
[0011]細(xì)胞的分子網(wǎng)絡(luò)和基因、蛋白質(zhì)、代謝產(chǎn)物等精細(xì)分析，采用微流控芯片技術(shù)集成分析化學(xué)、生物技術(shù)操作流程，用于病理、藥理的基因表達(dá)與藥物分析:1)與微流控細(xì)胞芯片不同，在人工設(shè)計(jì)和轉(zhuǎn)基因表達(dá)的細(xì)胞信號(hào)傳導(dǎo)路徑和基因調(diào)控回路；2)與細(xì)胞傳感器不同，在于微流控芯片集成，轉(zhuǎn)基因細(xì)胞系、合成細(xì)胞，人工設(shè)計(jì)與合成的細(xì)胞信號(hào)傳導(dǎo)路徑和基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。
圖1.是轉(zhuǎn)錄因子調(diào)控基因表達(dá)示意圖
藥物(drug)作用于細(xì)胞信號(hào)傳導(dǎo)(signal transduct1n)通道，通過轉(zhuǎn)錄因子(transcript1nal factor)調(diào)控,激發(fā)或抑制基因表達(dá)(RNA),從而,可通過檢測(cè)表達(dá)蛋白質(zhì)(GFP)的強(qiáng)弱分析藥物效應(yīng)。設(shè)計(jì)不同類型信號(hào)通道的轉(zhuǎn)錄因子調(diào)控基因表達(dá)載體和轉(zhuǎn)基因細(xì)胞系或合成細(xì)胞，可以用于普通細(xì)胞培育方法分析，也可以集成在細(xì)胞芯片進(jìn)行搞通量規(guī)?；瘜?duì)不同藥物或藥物作用于不同信號(hào)通道的藥物分析與篩選。
【權(quán)利要求】
1.一種用于藥物篩選的細(xì)胞傳感器和生物計(jì)算機(jī)，在于細(xì)胞分子系統(tǒng)模塊的設(shè)計(jì)與合成技術(shù)方法；
2.該細(xì)胞模型設(shè)計(jì)在于一種人工細(xì)胞，包括，神經(jīng)元、內(nèi)分泌細(xì)胞與免疫細(xì)胞等通訊網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)；
3.用于轉(zhuǎn)基因建系，或人工設(shè)計(jì)的細(xì)胞系，包括，CHO等一股細(xì)胞系，不限于哺乳動(dòng)物細(xì)胞，也包括其它動(dòng)物、植物和人體正?；虿±砑?xì)胞系；
4.這類細(xì)胞系，也包括，干細(xì)胞、分化細(xì)胞，如，胚胎干細(xì)胞，分化的神經(jīng)細(xì)胞、內(nèi)皮細(xì)胞、肌肉細(xì)胞、內(nèi)分泌細(xì)胞和淋巴細(xì)胞等血細(xì)胞等；
5.人工設(shè)計(jì)與合成基因、基因鏈、信號(hào)傳導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)等，對(duì)細(xì)胞進(jìn)行改造與重編程序，可以做復(fù)雜的計(jì)算與信息處理；
6.一類設(shè)計(jì)方法在于基因表達(dá)啟動(dòng)子序列的調(diào)控結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合位點(diǎn)；
7.啟動(dòng)子基因序列，受轉(zhuǎn)錄因子等調(diào)控特異性表達(dá)的結(jié)構(gòu)基因，結(jié)構(gòu)基因?yàn)榭蓹z測(cè)表達(dá)信號(hào)和定量的熒光蛋白質(zhì)類基因；
8.受調(diào)控表達(dá)的基因，也可以是其它可作用于檢測(cè)信號(hào)分子的蛋白質(zhì)或酶等分子； 轉(zhuǎn)錄因子為一些特定的信號(hào)傳導(dǎo)通道，包括，磷酸化酶等修飾或調(diào)控的蛋白質(zhì)相互作用分子網(wǎng)絡(luò)；
9.藥物分子作用于細(xì)胞信號(hào)傳導(dǎo)激發(fā)或抑制轉(zhuǎn)錄因子活性，激活或抑制基因表達(dá)，從而，通
10.過熒光蛋白質(zhì)等表達(dá)強(qiáng)弱分析藥物的作用和效應(yīng)；
11.這些轉(zhuǎn)錄因子的與DNA結(jié)合序列,包括，c-fos,C-Jun, Egr-1, Pit-1和cAMP結(jié)合位點(diǎn)等，任何一類轉(zhuǎn)錄因子的DNA結(jié)合序列；
12.轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合位點(diǎn)序列，通過基因和載體構(gòu)建，插入各類通用表達(dá)載體的啟動(dòng)子，包括，取代或部分取代CMV等非特異性表達(dá)的啟動(dòng)子調(diào)控序列；
13.用于基因表達(dá)信號(hào)檢測(cè)的熒光蛋白質(zhì)等，調(diào)控基因表達(dá)的啟動(dòng)子結(jié)合位點(diǎn)序列可以是一個(gè)或多個(gè)轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合序列；
14.調(diào)控信號(hào)蛋白質(zhì)或其它生物分子表達(dá)和定量的信號(hào)傳導(dǎo)通道，包括，特異受體蛋白質(zhì)和GCP等受體偶聯(lián)分子的信號(hào)傳導(dǎo)或分子作用網(wǎng)絡(luò)；
15.調(diào)控基因表達(dá)的分子，也包括，核激素受體等蛋白質(zhì)分子或類固醇激素分子等；
16.藥物靶向作用于信號(hào)傳導(dǎo)通道，激活轉(zhuǎn)錄因子進(jìn)入細(xì)胞核與基因啟動(dòng)子結(jié)合，調(diào)控轉(zhuǎn)基因熒光蛋白質(zhì)的表達(dá)，從而，可以定性鑒別和定量檢測(cè)藥物作用的信號(hào)通道和藥理效應(yīng)；
17.細(xì)胞傳感器、轉(zhuǎn)基因細(xì)胞系或人工設(shè)計(jì)的細(xì)胞系，可用于一股的細(xì)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(nèi)培育不同細(xì)胞系，通過芯片儀器的軟件控制微槽的液體流動(dòng)和操作流程；
19.不同細(xì)胞類型，神經(jīng)元、內(nèi)分泌細(xì)胞等，也可以同時(shí)在一塊芯片上培育，并人工設(shè)計(jì)與合成的基因回路和表達(dá)，可以建立不同細(xì)胞系之間的分子通訊或相互作用網(wǎng)絡(luò)。
【文檔編號(hào)】C12N5/10GK104250634SQ201410072280
【公開日】2014年12月31日 申請(qǐng)日期:2014年2月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年2月28日
【發(fā)明者】曾杰 申請(qǐng)人:曾杰