本文關(guān)鍵詞：基于細(xì)菌群體感應(yīng)的自殺基因回路的數(shù)學(xué)建模及其穩(wěn)定性的研究

  更多相關(guān)文章： 群體感應(yīng) 自殺回路 數(shù)學(xué)建模 Lux R-Lux I 回路優(yōu)化

【摘要】：細(xì)菌的自殺行為是自然界的一種常見(jiàn)現(xiàn)象,它是原核生物的一種程序性死亡機(jī)制。群體感應(yīng)(quorum sensing,QS)是細(xì)菌細(xì)胞間的一種通訊形式。細(xì)胞合成并分泌信號(hào)分子,當(dāng)環(huán)境中的信號(hào)分子濃度達(dá)到一定閾值時(shí),一系列基因被激活,細(xì)菌種群會(huì)同步化地實(shí)現(xiàn)某些功能和行為上的改變�；谌后w感應(yīng)的自殺基因回路已經(jīng)構(gòu)建,對(duì)這一基因回路的系統(tǒng)研究和精確調(diào)控在理論和應(yīng)用上都具有重要意義。本論文以合成生物學(xué)的研究思路,以基于群體感應(yīng)Lux R-Lux I體系的自殺基因回路為研究對(duì)象,將數(shù)學(xué)建模和分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)合起來(lái),模擬種群的生長(zhǎng)和自殺行為,分析誘導(dǎo)劑IPTG濃度、p H值、溫度、營(yíng)養(yǎng)條件等因素對(duì)系統(tǒng)行為的影響,目的是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)回路的長(zhǎng)期、穩(wěn)定、可控的運(yùn)行。本文還深入探討了營(yíng)養(yǎng)條件對(duì)群體感應(yīng)Plux啟動(dòng)子的影響,發(fā)現(xiàn)了啟動(dòng)子上游兩個(gè)調(diào)控序列對(duì)該啟動(dòng)子復(fù)雜微妙的調(diào)控機(jī)制,從而深化了對(duì)細(xì)菌群體感應(yīng)的認(rèn)識(shí)。本論文建立的基因回路安裝在p Popctrl質(zhì)粒上,含有該質(zhì)粒的大腸桿菌在有IPTG存在時(shí)會(huì)分泌一種信號(hào)分子(acyl-homoserine lactone,AHL),當(dāng)AHL積累到一定閾值時(shí)會(huì)結(jié)合轉(zhuǎn)錄因子Lux R,并使之活化為L(zhǎng)ux R*。后者啟動(dòng)Plux啟動(dòng)子的轉(zhuǎn)錄,Ccd B毒蛋白表達(dá)并殺死細(xì)胞。本文通過(guò)常微分方程構(gòu)建數(shù)學(xué)模型來(lái)研究菌群的生長(zhǎng)和自殺行為。模型以IPTG濃度、p H值、溫度以及營(yíng)養(yǎng)條件為自變量,以不同時(shí)間點(diǎn)菌液的菌落形成單位(colony forming unit,CFU)為因變量,模型與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合良好。對(duì)各參數(shù)的獨(dú)立分析表明:IPTG濃度與Lux R蛋白生成量正相關(guān),IPTG濃度越高,Lux R*越多,Plux啟動(dòng)子啟動(dòng)越頻繁,自殺越劇烈。p H值影響AHL分子的降解常數(shù),p H值越大,AHL分子降解越快,信號(hào)分子濃度越低,自殺強(qiáng)度變小。溫度影響細(xì)菌的比生長(zhǎng)速率以及Lux R*的解離常數(shù),30℃時(shí),比生長(zhǎng)速率較慢,但Lux R*蛋白最穩(wěn)定,細(xì)菌的自殺行為顯著強(qiáng)于37℃。營(yíng)養(yǎng)條件對(duì)基因回路的運(yùn)行和細(xì)菌種群的自殺行為有重要影響。在貧營(yíng)養(yǎng)的M9培養(yǎng)基中,幾乎觀察不到自殺現(xiàn)象,這暗示著群體感應(yīng)潛在具有未知的、與營(yíng)養(yǎng)水平相關(guān)的調(diào)控機(jī)制。為此,本文將Plux啟動(dòng)子下游的ccd B基因替換為綠色熒光蛋白基因,觀察不同培養(yǎng)基、不同調(diào)控序列作用下的熒光表達(dá)情況。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:野生型啟動(dòng)子Plux是弱的組成型啟動(dòng)子,有本底水平表達(dá)的能力,但其表達(dá)量幾乎可以忽略,其主要依賴轉(zhuǎn)錄因子Lux R*的調(diào)控才能啟動(dòng)GFP的大量表達(dá)。在啟動(dòng)子Plux上游存在luxbox序列和crp序列兩個(gè)轉(zhuǎn)錄調(diào)控區(qū)域。在一般情況下,Plux啟動(dòng)子由與luxbox序列相關(guān)的lux R/I系統(tǒng)來(lái)調(diào)控,符合群體感應(yīng)系統(tǒng)所介紹的調(diào)節(jié)規(guī)律。但當(dāng)缺乏碳源或者營(yíng)養(yǎng)匱乏時(shí),c AMP升高,與c AMP結(jié)合蛋白結(jié)合生成c AMP-CRP蛋白復(fù)合物,此復(fù)合物能結(jié)合在crp序列上,在無(wú)AHL信號(hào)分子時(shí),也能啟動(dòng)Plux。在有AHL存在時(shí),CRP復(fù)合物與crp序列的結(jié)合反而阻抑luxbox與啟動(dòng)子Plux結(jié)合以及自身本底水平的表達(dá)。本文建立的常微分方程的數(shù)學(xué)模型很好的模擬了細(xì)菌自殺回路的運(yùn)行,對(duì)其中各相關(guān)因素的影響進(jìn)行了定量分析,為回路的優(yōu)化和穩(wěn)定、可控創(chuàng)造了條件。同時(shí),揭示了群體感應(yīng)Plux啟動(dòng)子在不同營(yíng)養(yǎng)條件下的調(diào)控機(jī)制,深化了對(duì)群體感應(yīng)內(nèi)在機(jī)制的認(rèn)識(shí),為進(jìn)一步優(yōu)化相關(guān)基因回路提供了思路。
【關(guān)鍵詞】：群體感應(yīng) 自殺回路 數(shù)學(xué)建模 Lux R-Lux I 回路優(yōu)化
【學(xué)位授予單位】：上海師范大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類(lèi)號(hào)】：O175;Q93
【目錄】：

• 摘要2-4
• Abstract4-8
• 第一章 綜述8-26
• 1.1 合成生物學(xué)簡(jiǎn)介8-9
• 1.2 細(xì)胞程序性死亡和細(xì)菌自殺行為9-11
• 1.2.1 細(xì)胞程序性死亡機(jī)制9-10
• 1.2.2 自殺基因ccdB10-11
• 1.2.3 細(xì)菌自殺行為11
• 1.3 細(xì)菌群體感應(yīng)系統(tǒng)11-17
• 1.3.1 群體感應(yīng)信號(hào)分子12
• 1.3.2 G-菌的群體感應(yīng)機(jī)制12-14
• 1.3.3 群體感應(yīng)的類(lèi)型14-17
• 1.4 基于群體感應(yīng)的自殺基因回路17-18
• 1.5 數(shù)學(xué)模型簡(jiǎn)介18-22
• 1.5.1 表征細(xì)菌基因回路的相關(guān)模型19-20
• 1.5.2 Hill函數(shù)20-22
• 1.5.3 二聚體反應(yīng)22
• 1.6 群體感應(yīng)系統(tǒng)回路的分子調(diào)控22-24
• 1.6.1 轉(zhuǎn)錄調(diào)控模塊22-23
• 1.6.2 SOS反應(yīng)23-24
• 1.7 本論文的研究意義24-26
• 第二章 基于群體感應(yīng)的自殺回路及數(shù)學(xué)建模26-38
• 2.1 材料和方法26-30
• 2.1.1 實(shí)驗(yàn)儀器26
• 2.1.2 實(shí)驗(yàn)材料26-28
• 2.1.3 實(shí)驗(yàn)方法28-29
• 2.1.4 數(shù)學(xué)建模及微分方程29-30
• 2.2 結(jié)果和分析30-36
• 2.2.1 不同IPTG濃度對(duì)細(xì)菌自殺行為的影響30-32
• 2.2.2 不同pH值對(duì)細(xì)菌自殺行為的影響32-34
• 2.2.3 不同溫度對(duì)細(xì)菌自殺行為的影響34-35
• 2.2.4 不同營(yíng)養(yǎng)條件對(duì)細(xì)菌自殺行為的影響35-36
• 2.3 討論36-38
• 第三章不同營(yíng)養(yǎng)條件下QS系統(tǒng)的穩(wěn)定性及其影響因素38-60
• 3.1 材料和方法38-50
• 3.1.1 實(shí)驗(yàn)材料38-39
• 3.1.2 實(shí)驗(yàn)方法39-50
• 3.2 結(jié)果和分析50-58
• 3.2.1 St316 在M9 貧營(yíng)養(yǎng)中生長(zhǎng)狀況50-51
• 3.2.2 去掉crp和crpbox序列的細(xì)菌生長(zhǎng)現(xiàn)象51-57
• 3.2.3 藍(lán)白斑實(shí)驗(yàn)57-58
• 3.3 討論58-60
• 第四章 結(jié)論與展望60-63
• 4.1 結(jié)論60
• 4.2 進(jìn)一步工作的方向60-63
• 參考文獻(xiàn)63-67
• 附錄一67-69
• 附錄二69-70
• 附錄三70-71
• 攻讀學(xué)位期間取得的研究成果71-72
• 致謝72-74
• 附件74

【參考文獻(xiàn)】

中國(guó)期刊全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前4條

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中國(guó)碩士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前1條

1 劉茜;基于群體感應(yīng)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)建模與動(dòng)力學(xué)分析[D];上海大學(xué);2013年

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本文編號(hào)：1062423