倫敦大學(xué)帝國學(xué)院igem項(xiàng)目之 學(xué)習(xí)筆記

倫敦大學(xué)帝國學(xué)院igem項(xiàng)目之 學(xué)習(xí)筆記一：荒漠化土壤侵蝕和荒漠化是全球范圍內(nèi)的問題。導(dǎo)致耕地的損失，經(jīng)濟(jì)困難和環(huán)境退化。我們的項(xiàng)目側(cè)重于解決這些嚴(yán)重問題的工程菌，以提高植物根系生長。我們正計(jì)劃來實(shí)現(xiàn)我們的細(xì)菌帶入一個(gè)種皮，以幫助重新植被的土地侵蝕的風(fēng)險(xiǎn)。樹木和植物有助于保持土壤和防止水土流失，導(dǎo)致荒漠化?；哪窍陆档模渲邪ǜ珊?，半干旱和亞濕潤干旱地區(qū)的干旱地區(qū)。干旱地區(qū)近40的地球陸地約兩個(gè)億人，其中大部分生活在發(fā)展中國家。旱地土壤維持一個(gè)脆弱的生態(tài)系統(tǒng)，適應(yīng)罕見的降水和劇烈的溫度變化。過度開發(fā)旱地種植和原料用途的土壤呈現(xiàn)無益的，強(qiáng)迫遷移的社區(qū)搜索肥沃的土地，離開貧瘠的土地裸露，容易受到侵蝕力。在許多發(fā)展中國家的糧食供給缺乏強(qiáng)制的土地短期收益，以及砍伐森林，耕地不斷培養(yǎng)。影響：土壤侵蝕影響的氣候和生物多樣性，往往會(huì)導(dǎo)致不可逆的荒漠化。羅茨提高土壤的穩(wěn)定性和防止水土流失 。此外，樹木提供掩護(hù)和保護(hù)附近的動(dòng)物和植物。在容易發(fā)生水土流失的區(qū)域，這是特別重要的，因?yàn)榻涤晖呛币姷模钱?dāng)它發(fā)生，它往往是非常激烈的，很容易造成表土被沖走。二：植物路線趨化性是根據(jù)吸引或排斥的化學(xué)品的細(xì)菌的運(yùn)動(dòng)。根系分泌多種化合物，大腸桿菌 大腸桿菌不會(huì)被吸引到自然。因此，我們設(shè)計(jì)了一種化學(xué)感受器到我們的底盤，可以感知蘋果酸鹽，一個(gè)共同的根滲出物中，以便它可以向根游泳。此外，E. 大腸桿菌都在積極采取了由植物的根，這將使成根，我們的系統(tǒng)，有針對性的IAA交付。主要由細(xì)菌運(yùn)動(dòng)對植物根系的植物路由模塊。細(xì)菌運(yùn)動(dòng)的根源，微生物到自己的根。事實(shí)上，細(xì)菌，它們被用來對營養(yǎng)物質(zhì)的植物，在植物的根，是一個(gè)新的發(fā)現(xiàn)，去年只當(dāng)Paungfoo Lonhienne等 。非致病性大腸埃希氏菌的吸收到根的擬南芥（豆瓣）和番茄（番茄植物）。他們已經(jīng)成功地復(fù)制了這些調(diào)查結(jié)果。為他們的項(xiàng)目，這是特別有趣的，將暴露于作為植物內(nèi)的根細(xì)胞，這顯著影響的細(xì)菌濃度的IAA需要產(chǎn)生的，以實(shí)現(xiàn)最佳的根生長的細(xì)菌的生長素。此外，植物路線有可能被用來作為一個(gè)平臺(tái)，提供化合物，自然不會(huì)發(fā)生在工廠，沒有基因改造植物本身的根。 （1）細(xì)菌趨他們的主要底盤，濕實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)是大腸埃希氏菌。趨化性E. 大腸桿菌是有據(jù)可查的。這些細(xì)菌可以執(zhí)行兩種類型的運(yùn)動(dòng)，翻滾和光滑游泳。兩者之間的差異被確定由鞭毛運(yùn)動(dòng)。在翻滾運(yùn)動(dòng)，鞭毛順時(shí)針移動(dòng)。這是崔泰源-P和FLIM的，一體的鞭毛相關(guān)蛋白之間的復(fù)合物的形成引起的。在平滑游泳，鞭毛逆時(shí)針移動(dòng)。崔泰源未磷酸化，并因此，不能與鞭毛蛋白，導(dǎo)致在相反的方向旋轉(zhuǎn)的鞭毛。平滑游泳是運(yùn)動(dòng)，進(jìn)行細(xì)菌對引誘或遠(yuǎn)離劑。平滑游泳是控制趨化蛋白的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路，使一些示范。圖1：大腸桿菌細(xì)胞表達(dá)superfolder GFP（sfGFP）的擬南芥根的植物與細(xì)菌培養(yǎng)過夜后利用共聚焦顯微鏡可以看到里面。根在PBS中洗滌，成像前，以避免“假陽性”的根的外側(cè)附著的細(xì)菌。根內(nèi)的細(xì)菌對于一個(gè)很酷的3D視頻，看看我們的結(jié)果頁。（數(shù)據(jù)和影像帝國IGEM 2011）。 （2）產(chǎn)品規(guī)格1。應(yīng)積極邁向根的細(xì)菌。為了做到這一點(diǎn)，需要的細(xì)菌是能夠感應(yīng)到一個(gè)共同的根滲出物。我們選擇了重新布線E. 大腸桿菌的趨化通路朝著L（ - ）的蘋果酸（也簡稱為蘋果酸），檸檬酸循環(huán)中發(fā)現(xiàn)的化合物。它是由分泌的根在低濃度。2。根吸收的細(xì)菌進(jìn)入。吸收細(xì)菌進(jìn)入根，接著所分泌的天然化學(xué)物質(zhì)提出了一個(gè)新的平臺(tái)，為修改而基因改造植物基因組的植物。3。在我們的機(jī)箱的外源基因的高效表達(dá)。由于我們是從土壤細(xì)菌的基因?qū)氲紼. 大腸桿菌我們必須考慮到影響密碼子偏性，可以發(fā)揮我們的結(jié)構(gòu)的表達(dá)。因此，我們必須確保我們的結(jié)構(gòu)并不受這種現(xiàn)象的表達(dá)。（3）設(shè)計(jì)目標(biāo)是確保制定的規(guī)格。1。這種細(xì)菌應(yīng)該感覺到蘋果酸，積極邁向根。雖然蘋果酸敏感的傳感器不自然地發(fā)生在E. 大腸桿菌，他們已經(jīng)確定了其他一些細(xì)菌的種類，包括土壤中的微生物銅綠假單胞菌 PA01株和惡臭假單胞菌 KT2440株。PA2652是一個(gè)敏感的蘋果酸的化學(xué)感受器中發(fā)現(xiàn)P. 銅綠微囊藻和MCP是一種受體，發(fā)現(xiàn)P. 惡臭響應(yīng)一些TCA循環(huán)的中間體，包括蘋果酸的1 2 。銅綠假單胞菌和P.趨化的分子機(jī)制 惡臭不同的大腸桿菌 大腸桿菌。然而，有高度的結(jié)構(gòu)相似性的蛋白質(zhì)，使在這些生物體的趨化性途徑之間。因此，這是合理的假設(shè)，PA2652或MCPS域的將互動(dòng)與本地的趨化途徑E. 大腸桿菌，細(xì)菌將能夠執(zhí)行引入受體結(jié)合的趨化反應(yīng)后，蘋果酸鹽。2。他們的底盤中的高效表達(dá)。他們用他們的密碼子優(yōu)化軟件優(yōu)化PA2652結(jié)構(gòu)（BBa_K515102）表達(dá)的E. 大腸桿菌。3。構(gòu)建體必須是如模塊化盡可能。表達(dá)的蘋果酸的化學(xué)感受器的基因結(jié)構(gòu)并不復(fù)雜。然而，他們是模塊化的。目前的結(jié)構(gòu)，表達(dá)組成型啟動(dòng)子J23100受。這是的組成啟動(dòng)的零件注冊表中最強(qiáng)的之一。我們選擇了這個(gè)，因?yàn)樗歉菀椎囊粋€(gè)結(jié)構(gòu)調(diào)整的表達(dá)，而不是調(diào)整它的啟動(dòng)子。要表達(dá)的遺傳結(jié)構(gòu)調(diào)整，我們已經(jīng)推出了15個(gè)基點(diǎn)絕緣體序列，可以方便的啟動(dòng)子通過PCR使用的互換性和微調(diào)的表達(dá)水平。確保啟動(dòng)子替換時(shí)不改變的核糖體結(jié)合位點(diǎn)的TIR（翻譯起始速率）。PA2652和MCP翻譯起始率，分別為42010和44050。4。根吸收的細(xì)菌進(jìn)入。根系的吸收都E. 大腸桿菌和面包師的酵母釀酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）中可以觀察到的模式生物擬南芥，并在番茄植株。這是一個(gè)自然發(fā)生的過程，（雖然它在土壤中，則仍有待觀察），我們并不需要把額外的基因，我們的設(shè)計(jì)吸收發(fā)生。（4）模型1）簡介趨化性上升趨化因子（如在我們的項(xiàng)目中的蘋果酸）的濃度梯度和遠(yuǎn)離的驅(qū)蟲劑是細(xì)菌的運(yùn)動(dòng)（例如毒物）。E. 大腸桿菌是太小的，檢測到任何在其兩個(gè)端部之間的濃度梯度。這些細(xì)菌周圍的環(huán)境重新取樣，每隔3-4秒，無論是翻滾導(dǎo)致細(xì)胞或運(yùn)行。趨化因子短暫的“翻滾”（或偏見）的概率增加。這之后，由感官的適應(yīng)過程，返回到基線偏置，使細(xì)胞進(jìn)一步的濃度變化來檢測和響應(yīng)。在趨化因子濃度的變化在空間上均勻的環(huán)境中增加一小步的響應(yīng)時(shí)間從1秒到2-4秒。改變的飽和水平的趨化可以增加響應(yīng)時(shí)間到幾分鐘。每一個(gè)化學(xué)感受器上的細(xì)菌周質(zhì)結(jié)合結(jié)構(gòu)域和一個(gè)胞內(nèi)信號(hào)結(jié)構(gòu)域通信的鞭毛馬達(dá)通過CHEA，崔泰源，和Chez蛋白的磷酸化繼電器順序。趨化通路建模的結(jié)果，將決定的閾值用于細(xì)菌檢測的趨化因子的濃度和飽和細(xì)菌趨化檢測成為在哪一級(jí)，降低細(xì)菌的趨化反應(yīng)的效率。2）模型的趨化途徑 2.1目的使用MATLAB模型的趨化作用的途徑和8M化學(xué)感受器，從而確定檢測閾值和飽和度水平的趨化因子的細(xì)菌。因?yàn)樗徽J(rèn)為應(yīng)放置在靠近最佳生長的種子（<0.25厘米4 ）的生長素。因此，這是至關(guān)重要的，以確定是否我們的細(xì)菌能夠保持密切的種子。2.2說明圖1 1 ：趨化的信令組件和途徑 E. 大腸桿菌。E.在趨化途徑 圖1表明在大腸桿菌。化學(xué)感受器，形成穩(wěn)定的三元復(fù)合物與謝和咀嚼的蛋白質(zhì)產(chǎn)生的信號(hào)控制鞭毛馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)方向5 。的信令組的貨幣是在磷酰（對），它是由的崔泰源和CHEB的效應(yīng)蛋白可通過自身磷酸化CHEA 1的形式。崔泰源p啟動(dòng)鞭毛響應(yīng)通過與電機(jī)提升運(yùn)行 1的概率相互作用。海布p是一個(gè)感覺適應(yīng)電路的一部分，終止運(yùn)動(dòng)反應(yīng)1 。因此，研究海布和崔泰源的甲基化和磷酸化水平的了解一個(gè)單細(xì)胞的趨化是很重要的。斯皮羅等人的模型的基礎(chǔ)上。（1997）1被用來研究的濃度是如何隨時(shí)間變化的趨化通路中的蛋白質(zhì)。此外，鏈接崔泰源p濃度與運(yùn)動(dòng)類型的（運(yùn)行與翻滾）的數(shù)量被稱為偏置。它被定義為上運(yùn)行花費(fèi)的時(shí)間相對于總的運(yùn)動(dòng)時(shí)間的幾分之一。的相對濃度的崔泰源p的轉(zhuǎn)換成馬達(dá)偏置使用希爾函數(shù)（公式1）。2.3結(jié)果與討論基于斯皮羅模型 ，甲基化水平崔泰源和CHEB的受體和磷酸化水平（圖2）進(jìn)行了研究。此外，我們研究的運(yùn)行/干衣決策，這是基于相對受體占用的依賴。這意味著，僅依賴于任何特定的化學(xué)感受器的概率被占用趨化外部concetration的，但不是總數(shù)量的化學(xué)感受器。即使不依賴閾值和飽和度水平的化學(xué)感受上的趨化因子的濃度（圖3） 。不同數(shù)量的受體肯定會(huì)允許進(jìn)行更加細(xì)致的適應(yīng)，因此選擇了最強(qiáng)的啟動(dòng)子為最佳的靈敏度。圖2（a）：崔泰源圖2的磷酸化水平，（二）：磷酸化的CHEB 圖2（c）：甲基化水平美洲蜚蠊下顎，圖2（d）：在不同的運(yùn)行狀態(tài)的概率中的細(xì)菌在崔泰源p圖2（a）（B）（C）的水平表示的閾值檢測的濃度是10 -8 M，并且飽和濃度為10 -5 M。（建模的基礎(chǔ)上螺等人1，代碼進(jìn)行了修改，帝國學(xué)院2011年iGEM比賽的球隊(duì)）。圖3：與趨化因子濃度的化學(xué)感應(yīng)檢測閾值和飽和度水平。此圖清楚地表明，不依賴閾值和飽和度水平的化學(xué)感受上的趨化因子的濃度。3）模擬的細(xì)菌人口的趨化 3.1目標(biāo)趨化實(shí)驗(yàn)和自然條件下的細(xì)菌種群動(dòng)態(tài)模擬。實(shí)驗(yàn)室條件下的模型將有助于的濕實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)在他們的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。該模型的現(xiàn)實(shí)土壤條件會(huì)通知我們的項(xiàng)目如何以及在何處，我們可以把我們的細(xì)菌。在實(shí)驗(yàn)條件下，趨化擴(kuò)散，不斷從源頭上。然而，在現(xiàn)實(shí)的土壤，根產(chǎn)生蘋果酸所有的時(shí)間。因此，我們假設(shè)，分布的趨化以外的種子是穩(wěn)定的，與時(shí)間無關(guān)的。因此，細(xì)菌群體趨化建模將建成的趨化因子分布與不同的模式。3.2說明這部分的造型專注于創(chuàng)建一個(gè)模型的細(xì)菌人口趨化運(yùn)動(dòng)。在趨化，化學(xué)感受器感受到的趨化因子的濃度增加，然后發(fā)送一個(gè)信號(hào)，即抑制翻滾。同時(shí)，變得越來越甲基受體。相反，在趨化因子的濃度減少翻滾頻率增加，并導(dǎo)致受體的去甲基化。翻滾頻率大約為1赫茲時(shí)，鞭毛運(yùn)動(dòng)是公正的，并降低到幾乎為零的細(xì)菌向上移動(dòng)的趨化梯度5 。為了準(zhǔn)確地建立模型，作如下假設(shè)的基礎(chǔ)上文獻(xiàn)：1）定向運(yùn)動(dòng)相位期間，平均血流速度在哪些E. 大腸桿菌移動(dòng)為24.1微米/秒7 。鑒于在翻滾階段，是不顯著的速度慢，可以忽略不計(jì)。2） E. 大腸桿菌通常需要作為其基礎(chǔ)上決定是否集中度有所提高或過去的第二。因此，在我們的模型中的細(xì)菌將能夠比較濃度的趨化因子在t秒，在t-1秒。3）在我們的模型中，我們忽略了，E. 大腸桿菌不行駛在一條直線上在運(yùn)行過程中，而是采取曲線路徑由于不平等的射擊鞭毛。4）我們的模型沒有考慮細(xì)菌的生長，或由于法定人數(shù)感應(yīng)到一個(gè)小面積的細(xì)菌聚集的傾向。在此模型中，細(xì)菌應(yīng)該是能夠比較在當(dāng)前時(shí)間點(diǎn)的過去的第二處的濃度的趨化因子的濃度。如果濃度的降低（即 T1 -C T2 0），細(xì)菌就會(huì)跌倒的頻率為1 Hz。如果增加的濃度（C t1的 -C t2的 > 0），翻滾頻率減小，因此翻滾的概率減小。參考中的式（10）6，我們知道，當(dāng)C t1的 -C t2的 > 0，翻滾隨著chemostatic常數(shù)，細(xì)菌速度，濃度差之間相鄰的時(shí)間點(diǎn)和角度之間的指數(shù)函數(shù)的概率的兩個(gè)時(shí)間點(diǎn)。8因此，我們可以凝聚上面的描述，下面的語句：3.3結(jié)果與討論3.3.1 Baterial趨化實(shí)驗(yàn)室在實(shí)驗(yàn)室條件下，趨化因子從源頭上不斷擴(kuò)散，因此，趨化因子隨時(shí)間變化的分布格局。的誤差函數(shù)（方程2）在這種情況下，被用來描述的非穩(wěn)定狀態(tài)下的趨化分布。對于趨化的濕實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)，用戶界面設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)方法來驗(yàn)證其可行性。最初，一個(gè)實(shí)驗(yàn)的目的是作為放置一定數(shù)量的細(xì)菌的6厘米距離與不同濃度的趨化源。放置100個(gè)細(xì)菌的趨化性的模擬的6厘米遠(yuǎn)離5 mM的蘋果酸源示出在下面的電影。而這MATLAB程序具有一個(gè)圖形用戶界面（GUI）（圖4），它可用于由濕實(shí)驗(yàn)室學(xué)生簡單的輸入?yún)?shù)和生成靜態(tài)的圖形或動(dòng)畫。圖4： MATLAB的圖形用戶界面，（帝國學(xué)院2011年iGEM比賽的球隊(duì)）。上面的視頻顯示，趨化需要14000秒擴(kuò)散到菌落。在這段時(shí)間內(nèi)的細(xì)菌會(huì)被復(fù)制到所有的板。因此，從建模，可以推斷，這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果可能無法清楚地表明趨化性（看到的結(jié)果，在我們的濕實(shí)驗(yàn)室）。因此，設(shè)計(jì)了新的實(shí)驗(yàn)設(shè)置，作為趨化因子被保持在毛細(xì)管和以及與細(xì)菌懸浮液放入;誘食擴(kuò)散入井設(shè)置濃度梯度。細(xì)菌游泳的濃度梯度，給定的時(shí)間后進(jìn)入毛細(xì)管，毛細(xì)管被除去，并在毛細(xì)管中的細(xì)菌數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)。表明在圖5示出在整個(gè)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。這種新的模式整合，完善我們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。這進(jìn)一步細(xì)化又是通知的設(shè)計(jì)，我們的分析，這將導(dǎo)致更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，從而創(chuàng)造出精致的植物檢疫路由模塊之間的循環(huán)的建模和濕實(shí)驗(yàn)室。圖5：演示實(shí)驗(yàn)裝置的毛細(xì)管分析。（圖由倫敦帝國學(xué)院2011年iGEM比賽的球隊(duì)。）毛細(xì)管和趨化因子的分布狀況是不同的。因此，兩種趨化因子分布狀況進(jìn)行了推導(dǎo)，推導(dǎo)的詳細(xì)信息，請?jiān)谶@里下載。示出的單核細(xì)胞趨化在阱的分布，在毛細(xì)管內(nèi)的分布方程中所示的等式3和等式4。同樣地，一個(gè)用戶接口的設(shè)計(jì)，使?jié)駥?shí)驗(yàn)室學(xué)生不同的輸入?yún)?shù)（圖6）。以下的視頻顯示的模擬與1000個(gè)細(xì)菌，用直徑為1mm的填充用1mM的趨化chemotaxing朝向毛細(xì)管。圖。圖7示出了在每個(gè)時(shí)間點(diǎn)在毛細(xì)管中的細(xì)菌數(shù)量。該模型表明，在毛細(xì)管中積累的細(xì)菌，是在3600秒的最大數(shù)目。因此，我們的模型表明，的濕實(shí)驗(yàn)室的學(xué)生應(yīng)執(zhí)行本實(shí)驗(yàn)為60分鐘，然后收集數(shù)據(jù)。圖6： Matlab的圖形用戶界面，為我們的趨化毛細(xì)管分析。（帝國學(xué)院2011年iGEM比賽的球隊(duì)）。圖7：細(xì)菌的數(shù)量在毛細(xì)管與時(shí)間（帝國學(xué)院2011年iGEM比賽的球隊(duì)）。3.3.2在土壤中的細(xì)菌趨在現(xiàn)實(shí)的土壤，蘋果酸鹽用作趨化。馬拉特是不斷從根尖分泌3 mM的9的濃度。在這種情況下，蘋果酸源總是補(bǔ)充由于持續(xù)分泌從根和分配方式可以被認(rèn)為是穩(wěn)定的（即與時(shí)間無關(guān)）。的穩(wěn)定狀態(tài)Keler的謝格爾模型是用來證明這個(gè)分布（公式5）。真正的蘋果酸在土壤中的分布顯示在圖5。細(xì)菌趨藥性的路徑，當(dāng)將細(xì)菌在穩(wěn)態(tài)蘋果酸分布在不同的位置上時(shí)，表明在圖5。圖8（a）：的蘋果酸鹽的距離（1D），圖8（b）：蘋果酸鹽用半徑（2D）中的分布的分布，圖8（b）示出的位置的閾值檢測的濃度（1e的-8 M的半徑= 0.028 m）和飽和濃度（是1e-5 M的半徑= 0.012）。圖9：與細(xì)菌的趨化性放置在不同的起始位置。 藍(lán)：210 5秒趨化開始于半徑= 0.015米（之間0.012 m和0.028米的），綠色：210 5秒趨化開始于半徑=0.008米，這是小于0.012。這表明的細(xì)菌的趨化反應(yīng)是低效的，當(dāng)它們被放置在從根尖端0.0028米0.0012米。綠線表示，這種細(xì)菌可保持接近的種子，當(dāng)它被放置在遠(yuǎn)離根尖的距離小于0.012米。因此，該模型表明，這種細(xì)菌被放置在一個(gè)距離小于0.012米，在我們的項(xiàng)目實(shí)施。最后，用于細(xì)菌檢測的閾值的趨化因子的濃度是110 -8 M和細(xì)菌趨化檢測變得飽和水平是110 -5 M。我們還表明，檢測閾值和飽和度水平是趨化因子受體的數(shù)量無關(guān)，然而，為了使最大靈敏度，最強(qiáng)的啟動(dòng)子應(yīng)該選擇植物路由模塊。此外，與蘋果酸濃度等于3 mM的，閾值檢測的濃度是在從根0.028米的距離，和飽和濃度達(dá)到0.012米（1.2厘米）遠(yuǎn)離根。從建模的細(xì)菌種群的趨化性，我們觀察到根的趨化性是緩慢的，如果該細(xì)菌最初放置在兩者之間0.012 m和0.028米的，同時(shí)，放置從根0.012米內(nèi)細(xì)菌時(shí)，細(xì)菌很可能穩(wěn)定和保持密切的根。穩(wěn)定的細(xì)菌本地化，（1.2厘米）的距離是大于0.25厘米（營養(yǎng)物質(zhì)可以有效地根的距離），因此，建議的細(xì)菌，我們的種皮的實(shí)施，應(yīng)放置在或接近0.25厘米遠(yuǎn)離根。二：生長素（1） 概觀生長素，或吲哚-3 -乙酸（IAA），是一種植物生長的激素，它是通過幾個(gè)土壤細(xì)菌。我們已經(jīng)采取的基因編碼，從假單胞菌savastanoi IAA生產(chǎn)的途徑，并表示他們在大腸埃希氏菌。植物路由模塊對根和吸收趨化之后，IAA表達(dá)，目的是提高土壤的穩(wěn)定性，促進(jìn)根系生長其也被稱為是一個(gè)充分研究的負(fù)責(zé)響應(yīng)于生物和非生物脅迫的用于植物生長的植物激素。通常，類似的-萘乙酸（NAA）和2,4 - 二氯苯氧乙酸（2,4-D）的合成生長素作為除草劑的使用。在過去的50年來，由于他們的高效率和廉價(jià)的成本，他們已經(jīng)在作為除草劑的用途。雖然生長素是一種促生長的激素，它可以在高濃度下對植物的代謝負(fù)擔(dān)，因此，毒性。合成生長素是非常穩(wěn)定，在土壤中能堅(jiān)持幾個(gè)星期，這就是為什么他們是非常有效的除草劑。IAA，在另一方面，是化學(xué)不穩(wěn)定的，并可以很容易地由植物代謝。因此，如果我們在我們的底盤生產(chǎn)IAA，它應(yīng)該促進(jìn)而不是阻礙植物根系的生長。仍然是一種風(fēng)險(xiǎn)，即IAA可以仿照在硅片告知生長素隨心模塊的設(shè)計(jì)，其合成前在高濃度，因此，基因表達(dá)水平的植物是有毒的。我們的目標(biāo)是產(chǎn)生IAA E. 大腸桿菌中以受控的方式，以便它永遠(yuǎn)不會(huì)到達(dá)的毒性閾值。在整個(gè)項(xiàng)目，該模塊將負(fù)責(zé)影響根系生長，形成復(fù)雜的根網(wǎng)絡(luò)，可以有效地保持土壤，防止其侵蝕的目的。圖1。的化學(xué)結(jié)構(gòu)，合成的和天然的生長素。（圖片由先正達(dá)提供）。（2）產(chǎn)品規(guī)格1。一個(gè)簡單的的IAA生產(chǎn)的途徑，可以表現(xiàn)在我們的底盤。IAA是一種植物激素，促進(jìn)植物生長的細(xì)菌快遞（PGP） IAA的植物對營養(yǎng)物質(zhì)的交換。有幾種不同的途徑可以制作IAA（圖1）。我們決定使用的IAM的途徑，因?yàn)樗驯蛔C明在E.工作 大腸桿菌，并且由的只有兩種酶。2。片段序列設(shè)計(jì)適合聚合酶延伸組件的方法，以最低的成本。我們決定用聚合酶延伸，而不是標(biāo)準(zhǔn)限制連接的組件的裝配，因?yàn)樗鼘⑹刮覀兡軌蛴嗁彾鄠€(gè)片段的序列。這將保持低于1000 bp的訂單，也降低了生產(chǎn)時(shí)間。此外，像吉布森和CPEC的方法，使我們能夠建立包含多個(gè)組件的結(jié)構(gòu)，在一個(gè)反應(yīng)，而不是不必結(jié)扎每個(gè)BioBrick順序的。3。實(shí)現(xiàn)足夠的IAA的表達(dá)水平在我們的底盤，在我們的工廠模式，以提高根系的生長。IAA在我們的底盤表達(dá)的目的是提高植物根系的生長，并最終提高土壤的穩(wěn)定性。因此，我們需要的IAA濃度的影響根系生長模擬和測試，以確定最佳的濃度不引起毒性。4。調(diào)整的IAA生產(chǎn)水平啟動(dòng)子不影響RBS強(qiáng)度的情況下切換。要促進(jìn)未來調(diào)整的表達(dá)，我們在設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)時(shí)，蘇格蘭皇家銀行是不會(huì)受到影響的發(fā)起人。為了做到這一點(diǎn)，我們增加了15個(gè)基點(diǎn)絕緣體它們之間的序列。5。建立一個(gè)結(jié)構(gòu)，密碼子優(yōu)化為E. 大腸桿菌和B。枯草芽孢桿菌。我們使用的是E. 大腸桿菌作為我們的機(jī)箱，因?yàn)槿祟悓?shí)踐問題，周圍環(huán)境中的枯草芽孢桿菌（Bacillus subtilis）的蔓延。此外，它已被證明，大腸桿菌 大腸桿菌是采取了積極的擬南芥 2 。然而，在未來，我們希望有可能建立相同的構(gòu)造B. 枯草芽孢桿菌，一個(gè)突出的土壤中的孢子形成的細(xì)菌。圖1。有幾種不同的IAA的生產(chǎn)途徑。該IAM通路是一個(gè)兩步驟的途徑，從前驅(qū)體色氨酸生成吲哚-3 -乙酸（IAA）。IAA色氨酸單加氧酶（IAAM），催化氧化羧化的L-色氨酸為吲哚-3 -乙酰胺水解為吲哚-3 -乙酸和氨的吲哚乙酰胺水解酶（IAAH）1 。（3）設(shè)計(jì)他們心中的規(guī)格，我們通過文獻(xiàn)搜索和咨詢專家告知我們的IAA表達(dá)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。1。該IAM通路是一個(gè)簡單的IAA的制造途徑與只有一個(gè)中間。他們選擇，使用IAM（吲哚乙酰胺）的途徑，來源于假單胞菌savastanoi。此途徑只涉及兩種酶產(chǎn)生IAA（iaaM和戰(zhàn)勝饑餓國際聯(lián)盟），因此最大限度地減少碎片的數(shù)量，我們需要在我們的結(jié)構(gòu)組裝。2。設(shè)計(jì)適合于基于聚合酶延伸組裝的基因序列。由于他們有兩個(gè)比較大的酶（約61 kDa和47 kDa的），他們決定每一個(gè)分裂成兩個(gè)片段，以加快其合成。他們設(shè)計(jì)了50 bp的重疊區(qū)域的端部的每一個(gè)的四個(gè)片段，以便能夠快速基于聚合酶延伸的組裝成標(biāo)準(zhǔn)pSB1C3矢量。3。實(shí)現(xiàn)足夠的IAA的表達(dá)水平在我們的底盤，以提高我們的模式植物的根系生長。我們將iaaM和戰(zhàn)勝饑餓國際聯(lián)盟基因的控制下的Pveg2啟動(dòng)。我們選擇該啟動(dòng)子，因?yàn)樗枪δ蹺. 大腸桿菌和B。枯草芽孢桿菌。4。是絕緣體序列設(shè)計(jì)，使啟動(dòng)開關(guān)。為了使調(diào)整的IAA生產(chǎn)，使用不同強(qiáng)度的推動(dòng)者，我們正在設(shè)計(jì)一個(gè)絕緣體序列前面iaaM和戰(zhàn)勝饑餓國際聯(lián)盟，不影響RBS實(shí)力的情況下啟動(dòng)開關(guān)，以方便使用PCR的核糖體結(jié)合位點(diǎn)。5。聯(lián)合密碼子優(yōu)化E. 大腸桿菌和B。枯草芽孢桿菌他們做了一個(gè)密碼子優(yōu)化軟件，優(yōu)化兩款機(jī)箱都提供靈活性，在未來的iaaM和戰(zhàn)勝饑餓國際聯(lián)盟序列，盡管我們目前使用的E. 大腸桿菌作為我們的底盤。（4）模型1）簡介足夠的生產(chǎn)能有效地促進(jìn)植物根系生長的植物激素或轉(zhuǎn)基因（GM）大腸埃希氏菌吲哚-3 -乙酸（IAA） 。但是，IAA是對植物有毒的，如果它的濃度過高。因此，重要的是IAA表達(dá)水平能夠預(yù)測一個(gè)給定的子，然后調(diào)整子強(qiáng)度，以保證我們的大腸桿菌最佳的IAA 增加根系生長。IAA增加根系生長，根長和分支數(shù)量方面。為了研究不同濃度的IAA影響根系的生長模式，建模工具，用濕實(shí)驗(yàn)室檢測結(jié)果，結(jié)合預(yù)測和可視化擬南芥根系生長。2）IAA合成模擬 2.1目的一個(gè)單一的E.確定IAA表達(dá)水平 大腸桿菌細(xì)胞與IAA啟動(dòng)子強(qiáng)度4.536 RNA /分鐘/g的底物DNA，然后預(yù)測要放置在種子涂層，誘導(dǎo)最佳的根生長的細(xì)菌數(shù)量。2.2說明遺傳工程的IAA途徑涉及兩個(gè)基因，iaaM和IAAH，這兩者都是組成型表達(dá)。IAAM基因編碼色氨酸2 -單加氧酶（T-2-monase），色氨酸（Trp）的吲哚-3 -乙酰胺的催化轉(zhuǎn)換（IAM），然后將其水解以釋放吲哚-3 -乙酸（IAA）由水解酶IAAH 3 。在同一時(shí)間，合成的IAM和IAA將競爭性地抑制色氨酸2 -單加氧酶的酶活性，從 而誘導(dǎo)的IAA的表達(dá)上的負(fù)反饋環(huán)路。圖1中示出在該途徑所涉及的酶促反應(yīng)。圖1：IAA合成途徑。（圖由倫敦帝國學(xué)院的iGEM比賽的隊(duì)）。此外，從美國科羅拉多大學(xué)的研究進(jìn)行了數(shù)學(xué)生物學(xué)研究組的基礎(chǔ)上4 ，色氨酸也是負(fù)面的控制內(nèi)的細(xì)菌。因此，色氨酸合成途徑應(yīng)納入上述模型。此外，為了減少的數(shù)目的參數(shù)，如在圖1中的參數(shù)大多數(shù)是不提供給我們，在IAA通路然后分為兩個(gè)米氏米氏方程，與色氨酸的途徑和組成型基因表達(dá)的T相結(jié)合的簡化-2-monase和IAAH。整個(gè)色氨酸IAA通路模型5中描述的公式1 ，和參數(shù)定義在下面的參數(shù)部分。在這個(gè)模型中，我們提出以下假設(shè)：（1）他們忽視了很短的時(shí)間延遲，由于TRP-T-2-monase（底物酶（ES）復(fù)雜的），IAM-戰(zhàn)勝饑餓國際聯(lián)盟（ES的復(fù)雜），IAM-T-2-monase（抑制酶的合成（ EI）配合物）和IAA-T-2-monase（抑制劑的酶（EI）絡(luò)合物），并假定這些物種幾乎在瞬間達(dá)到其平衡。（2）IAA的降解率在黑暗中細(xì)菌的生長速度相比是非常低的。因此，我們使用了細(xì)菌的生長速率，在這個(gè)模型中的IAA降解率。在建模的IAA通路（3），我們發(fā)現(xiàn)，IAA合成的速率確定的物種是（IAM），而不是酶IAAH，因?yàn)樯a(chǎn)的IAM被抑制本身和IAA。2.3結(jié)果與討論1。每個(gè)蛋白物種的濃度是如何隨時(shí)間變化。2。各物種的酶促反應(yīng)，與O F = 1.5410 -4 M，M F = 3.7810 -4 M，E = 0.378M，色氨酸= 4.1M和所有其他= 0的初始濃度的模擬4。此外，圖2示出，IAA的表達(dá)水平為72.35M，這意味著每個(gè)細(xì)菌生產(chǎn)的7.2410 -14微摩爾每細(xì)菌在穩(wěn)定狀態(tài)下與細(xì)菌的體積等于10 -15分米3。從潮濕的實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)中，我們知道，IAA以促進(jìn)根系生長的最佳濃度為0.1 nm，和擬南芥種子的體積約等于3.610 -9米3 7 。因此，需要存在于種皮，以最大限度地提高根根系生長的細(xì)菌數(shù)為4.9710 6。詳細(xì)的計(jì)算中列出如下：1。一個(gè)單一的細(xì)菌所產(chǎn)生的摩爾數(shù)是72.35微米* 10 -18米3（7.235 * 10 -17微摩爾）。2。的IAA的摩爾數(shù)，需要在一個(gè)種皮是3.6 * 10 -9米3 * 0.1 nmol。3。細(xì)菌的數(shù)量需要是發(fā)生在一個(gè)種皮（3.6 * 10 -10微摩爾）/（7.23510 -17）= 4.9710 6。 圖2（a）：（的IAM）隨時(shí)間的演變。圖2（b）：的IAA對時(shí)間的演變?？傊?，我們獲得的IAA濃度的，IAA DNA結(jié)構(gòu)（72.25M）產(chǎn)生的。從這個(gè)值，我們計(jì)算出的細(xì)菌數(shù)量，將需要輸入理想的生長條件，而忽略死亡和分裂的細(xì)菌，這被認(rèn)為是4.97x10 6 細(xì)菌擬南芥的根目錄下。此值由于在不同的植物種子大小的變化而變化。由于細(xì)菌細(xì)胞可從該植物中丟失，不是所有的細(xì)菌從種皮進(jìn)入工廠，在種皮所需的細(xì)菌的數(shù)目將是高于此。此外，在接下來的部分根系生長模型幫助我們想象的根系生長。3）IAA的吸收和根系的生長3.1目標(biāo)1創(chuàng)建一個(gè)圖形程序來演示的擬南芥根系的生長過程，Lindenmayer系統(tǒng)和植物生理學(xué)的原則的基礎(chǔ)上。2使用Matlab數(shù)據(jù)擬合工具來開發(fā)IAA濃度和增長速度的分行數(shù)目之間的關(guān)系。3.2說明我們使用計(jì)算的工具，visulise根系生長的現(xiàn)象，（主要根長，分枝，根系密度等）在不同的enviromental條件下，特別是根序和根長。根為了描述一個(gè)根系統(tǒng)的分支“代”，被定義為一個(gè)零階根的根不分枝。根系生長取決于環(huán)境因素的影響，比如引力和土壤的非均質(zhì)性。3.2.1向性一個(gè)根系統(tǒng)啟動(dòng)的零階根單根的尖端。然后根遠(yuǎn)離植物的莖生長在一個(gè)錐形的方式10 。根系生長取決于環(huán)境因素的影響，比如引力和土壤的非均質(zhì)性。因此，兩個(gè)更多的變量被定義為描述植物適應(yīng)- 多么強(qiáng)大的根每平方厘米的增長方向的變化- 一個(gè)更大的值表示更偏轉(zhuǎn)的根和更扭曲的根系統(tǒng)- 試驗(yàn)的次數(shù)，其根部，以找到最佳的角度和的旋轉(zhuǎn)的向下運(yùn)動(dòng)- N可以是任意實(shí)數(shù)。如果N = 1.5，如果，N可以是1或2的裝置。圖3：不同的N值和的根系統(tǒng)之間的差異。（建模根據(jù)丹尼爾萊特納等人BOKU和代碼的修改，由倫敦帝國學(xué)院2011年iGEM比賽的球隊(duì)）。3.2.2 Lindenmayer系統(tǒng)和根系的生長模型L-系統(tǒng)是一個(gè)平行的重寫系統(tǒng)，即一個(gè)正式的語法的一個(gè)變體，最有名的用于模擬植物發(fā)育過程中的生長，但也能夠模擬各種生物體的形態(tài)，由于兩個(gè)主要性能：遞歸和自相似性11 。植物模型和自然的有機(jī)形態(tài)很容易定義，如通過增加遞歸級(jí)別的形式慢慢“長大”，并變得更加復(fù)雜。使用L-系統(tǒng)，用于產(chǎn)生圖形圖像的要求，在模型中的符號(hào)是指在計(jì)算機(jī)屏幕上的圖的元素。解釋每不變的L-系統(tǒng)模型的龜命令。 3.2.3根系生長;造型的IAA攝取的預(yù)測答案的問題，如：“什么是初生根的生長率是多少？”“什么是根系統(tǒng)一段時(shí)間后的樣子嗎？”“如何擬南芥不同IAA濃度？“ 我們修改一個(gè)MATLAB程序開發(fā)丹尼爾萊特納的研究小組6展示的3D根系統(tǒng)的基礎(chǔ)上的原則林登梅耶系統(tǒng)（龜?shù)拿睿⒃诟鲩L模型工具箱由丹尼爾萊特納等人從BOKU（Universitt獻(xiàn)給Bodenkultur維也納開發(fā)維也納的自然資源和生命科學(xué)大學(xué)）12 。 3.2.4數(shù)據(jù)擬合我們采取了從文獻(xiàn)的增長速度參數(shù)，我們的濕實(shí)驗(yàn)室的原始數(shù)據(jù)，為我們的項(xiàng)目提供更準(zhǔn)確，更合適的參數(shù)進(jìn)行了分析。擬南芥植物種植和根的長度和數(shù)量的分支記錄每兩天從第0天到第9天。根長，每天根系生長速率和分支數(shù)量繪制了時(shí)間和IAA濃度。 3.3結(jié)果與討論3.3.1根系統(tǒng)的可視化從文獻(xiàn)中的值給外部IAA濃度之間的關(guān)系，和根的伸長為510 -5 mol / L的200m的伸長率在30分鐘內(nèi)。因此，生長速度的建模參數(shù)是9.6 * 10 -3 m /天。我們觀察到真正的根的生長模式和修改我們的模擬，以提供更可靠，更準(zhǔn)確的預(yù)測根的生長。擬南芥中有一個(gè)主根與零階和它厚比分行。擬南芥一般長到20-30厘米的深度內(nèi)的土壤和分支只有一次。如下所示的3D畫面預(yù)測的根的生長具有不同伸長率（與IAA = 0.96厘米/天;未經(jīng)IAA = 0.46厘米/天10 ）。它們可與一個(gè)真正的根系統(tǒng)的照片。 圖4：擬南芥根系統(tǒng)的3D visalisation。的曲線圖圖4（a）（b）表示不同IAA濃度作為我們的模擬結(jié)果中的生長時(shí)間為20天的條件下與的擬南芥根系統(tǒng)中示范。圖4（c）（d）是真正的擬南芥植物的文獻(xiàn)和我們的濕實(shí)驗(yàn)室的實(shí)際照片。（建模根據(jù)丹尼爾萊特納等人BOKU和代碼的修改，由倫敦帝國學(xué)院2011年iGEM比賽的球隊(duì)）。（4）裝配圖。1：大會(huì)戰(zhàn)略為我們的生長素隨心結(jié)構(gòu)。（圖由倫敦帝國學(xué)院2011年iGEM比賽的球隊(duì)）。我們下令iaaM和IAAH作為兩個(gè)片段的編碼序列，以減少成本和時(shí)間（片段1，2，3和4）。我們不希望使用PCR擴(kuò)增的片段，以避免引入到我們的最終構(gòu)建的突變，因此我們將我們的MlyI限制性內(nèi)切酶的合成序列兩側(cè)的鈍的一端切點(diǎn)。說穿了，Mly1（II型限制性內(nèi)切酶）削減5個(gè)堿基的識(shí)別位點(diǎn)距離。此屬性允許我們只切出各片段的編碼序列。每一個(gè)消化的片段，然后凝膠提取準(zhǔn)備組裝。pSB1C3載體的骨架載體的同時(shí)反PCRd放大所需的重疊。我們計(jì)劃相結(jié)合的四個(gè)片段到pSB1C3載體由吉布森裝配，不幸的是，我們的嘗試都失敗了，我們推測，這是由于骨架載體上的同源性，使其重新退火。我們恢復(fù)到CPEC組裝結(jié)構(gòu)，一種方法，需要更廣泛地使用PCR比吉布森。這就是說，通過引入MlyI的酶切位點(diǎn)，我們的人數(shù)減少一半所需要的PCR步驟，從而減少了潛在的突變率。循環(huán)聚合酶延伸克?。–PEC）是一個(gè)獨(dú)立的引物PCR裝配技術(shù)，它依賴于各部分之間的重疊序列進(jìn)行組裝。有了一個(gè)變性步驟中，雙鏈DNA的熔融，允許兼容的單鏈的兩端各部分加入。出于這個(gè)原因，它是必不可少的，該部件被設(shè)計(jì)為同源的端部（被設(shè)計(jì)我們所使用的片段用50 bp的重疊）。退火后的重疊端，然后作為引物，聚合酶延伸的部分加入到一個(gè)無縫的構(gòu)造。CPEC的第一次嘗試是成功的。DNA由E. 大腸桿菌 DH5中菌落的組裝構(gòu)造轉(zhuǎn)化miniprepped并發(fā)送到歐陸用于測序。序列進(jìn)行了驗(yàn)證，所以我們進(jìn)行特征IAA生產(chǎn)建設(shè)。圖。2：組裝結(jié)構(gòu)限制切割骨干前綴和后綴分別用EcoRI和PstI消化，使我們能夠確定如果插入是正確的大小。1巷包含1 KB +梯作為參考。泳道2，泳道3 PstI和第4泳道都用EcoRI消化。將得到的帶的大小是約4 kb的與組裝的四個(gè)片段的大小。（數(shù)據(jù)由倫敦帝國學(xué)院2011年iGEM比賽的球隊(duì)）。圖。3：甲最終生長素隨心構(gòu)造示意圖。點(diǎn)擊每個(gè)部分被定向到零件注冊表的相關(guān)頁面。（圖由倫敦帝國學(xué)院2011年iGEM比賽的球隊(duì)）。三：基因衛(wèi)士遏制是一個(gè)嚴(yán)重的問題，關(guān)于釋放到環(huán)境中的轉(zhuǎn)基因生物（轉(zhuǎn)基因生物）。為了防止基因水平轉(zhuǎn)移的基因表達(dá)我們的底盤，我們已經(jīng)開發(fā)出一種系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，編碼holin，反holin和溶素的基因。我們是工程的抗holin到我們的底盤，在那里它的作用作為抗毒素，和holin和細(xì)胞內(nèi)溶素的質(zhì)粒DNA上的基因組中。在與土壤細(xì)菌的水平基因轉(zhuǎn)移事件，holin和細(xì)胞內(nèi)溶素將不含抗holin轉(zhuǎn)移，使受體細(xì)胞非可行的和有效含有生長素Xpress和植物路線基因在我們的機(jī)箱的。（1）概觀對于人類實(shí)踐告訴我們項(xiàng)目的設(shè)計(jì)，我們決定拿出新的解決方案，以轉(zhuǎn)基因生物的環(huán)境釋放的風(fēng)險(xiǎn)降到最低。我們試圖想超越遏制“殺死開關(guān)”機(jī)制，并提出了這樣的問題：“什么最壞的情況下，如果我們要釋放我們到野外的轉(zhuǎn)基因？“ 和“如何避免這些問題呢？”。轉(zhuǎn)基因生物釋放的最棘手的后果之一是水平基因轉(zhuǎn)移的非天然質(zhì)粒DNA，以現(xiàn)有的土壤細(xì)菌，經(jīng)常發(fā)生的過程?；騁uard是一種新的機(jī)制，以防止轉(zhuǎn)基因生物的遺傳物質(zhì)的交流，以防止自然發(fā)生的微生物基因的水平轉(zhuǎn)移，因此一個(gè)可行的解決方案。它將使用一個(gè)毒素/抗毒素系統(tǒng)，其中反holin被整合到基因組中，我們的機(jī)箱中，將防止holin上的質(zhì)粒編碼的內(nèi)溶素，以裂解細(xì)胞。然而，如果該質(zhì)粒被轉(zhuǎn)移到任何其他細(xì)菌的物種，是不是我們改造細(xì)菌，它會(huì)引起細(xì)胞裂解，從而防止包含在我們的GMO的遺傳信息的傳播。該模塊的組裝和測試的同時(shí)，我們嘗試與土壤中的細(xì)菌，看到多久，他們保留了GFP表達(dá)E.獲得的熒光 通過水平基因轉(zhuǎn)移的大腸桿菌。對于我們?nèi)祟悓?shí)踐的方法對轉(zhuǎn)基因釋放的更多信息（2）產(chǎn)品規(guī)格1。防止任何其他細(xì)胞，是不是我們自己的GMO非可行的水平基因轉(zhuǎn)移水平基因轉(zhuǎn)移（圖1）是主要的問題，我們能想到的，當(dāng)它來釋放轉(zhuǎn)基因生物在現(xiàn)場測試，后來在項(xiàng)目的實(shí)施階段。這是一個(gè)共同的問題，即使在轉(zhuǎn)基因作物，轉(zhuǎn)基因生物和自然生物之間的異花授粉是恒定的憂慮。在細(xì)菌中，基因通常轉(zhuǎn)移到其他物種通過共軛或通過從溶解的轉(zhuǎn)基因生物的遺傳物質(zhì)的攝取。由于遺傳物質(zhì)仍然可以采取其他物種的裂解后我們的轉(zhuǎn)基因生物，其中一個(gè)使用一個(gè)輸入誘導(dǎo)裂解是一個(gè)傳統(tǒng)的殺開關(guān)不是一個(gè)可行的和安全的選項(xiàng)。因此，我們認(rèn)為，設(shè)備必須是內(nèi)的遺傳物質(zhì)本身，而不是自然產(chǎn)生的細(xì)菌引起的反應(yīng)。展望殺死在過去已經(jīng)使用的開關(guān)，我們發(fā)現(xiàn)的T4 holin-溶素系統(tǒng)。如果我們要添加這些基因的質(zhì)粒，我們可能引起的任何有機(jī)體，我們已經(jīng)采取了質(zhì)粒的直接裂解。 圖1。水平基因轉(zhuǎn)移（格雷斯金，2006年1 ）2。該模塊必須不受到傷害的我們自己的轉(zhuǎn)基因T4噬菌體必須能夠延緩其主機(jī)之前，它是可以復(fù)制和裝配的許多副本本身的裂解。為了做到這一點(diǎn)也有T4噬菌體的蛋白質(zhì)稱為抗holin結(jié)合從而防止細(xì)胞裂解的holin。本質(zhì)上，該系統(tǒng)的工作原理作為定時(shí)器給噬菌體足夠的時(shí)間來復(fù)制。通過使用反holin的從這個(gè)系統(tǒng)中，我們可以防止我們自己的細(xì)胞裂解。然而，我們不能有它的質(zhì)粒否則仍可能有兩個(gè)質(zhì)粒的有機(jī)體的可能性。因此，我們必須錨定的基因組內(nèi)。為了做到這一點(diǎn)，我們需要用CRIM質(zhì)粒。CRIM（復(fù)制的條件，整合和模塊化）質(zhì)?？梢约稍趩我坏母北镜交蚪M的E. 大腸桿菌。3。表達(dá)的設(shè)備不會(huì)有太大的代謝負(fù)擔(dān)由于我們的最終系統(tǒng)將使用植物路線和生長素隨心模塊的，我們必須考慮，修改后的細(xì)菌就已經(jīng)是下一個(gè)巨大的代謝負(fù)擔(dān)。因此，使用必要的最低限度的資源基因警衛(wèi)促進(jìn)趨化對蘋果酸和IAA生產(chǎn)由我們的系統(tǒng)將是有益的。4。必須能夠來測試系統(tǒng)是否要做到這一點(diǎn)，我們必須使用報(bào)告基因。最常見的報(bào)告基因的熒光蛋白R(shí)FP和GFP等。由于質(zhì)粒CRIM，已經(jīng)有sfGFP，我們將使用，測試表達(dá)反holin。為了測試是否該質(zhì)粒是功能，我們將結(jié)合RFP到質(zhì)粒。我們希望能夠看到一個(gè)天然的細(xì)菌質(zhì)粒熒光紅色寬視場顯微鏡前裂解。（3）設(shè)計(jì)目標(biāo)是確保制定的規(guī)格，被認(rèn)為是基因衛(wèi)隊(duì)的設(shè)計(jì)。1。防止任何其他細(xì)胞，是不是我們自己的GMO非可行的水平基因轉(zhuǎn)移T4細(xì)胞內(nèi)溶素和T4 holin的是反PCRd從BBa_K112808。然而，我們必須確保接收這些基因的細(xì)胞裂解。為了確定所使用的啟動(dòng)，我們模擬整個(gè)系統(tǒng)。既然有這么多的holin和溶素（高拷貝質(zhì)粒）等少數(shù)幾個(gè)副本的holin基因（基因組）的副本，我們決定J23103子相對于J23100子，我們可以選擇正確的強(qiáng)度。但是，我們也有這個(gè)弱的啟動(dòng)子型號(hào)是否有足夠的接收質(zhì)粒的細(xì)胞裂解。根據(jù)我們的模型，任何接收我們的holin的和溶素基因的細(xì)胞裂解。2。該模塊必須不受到傷害的我們自己的轉(zhuǎn)基因此模塊主要依賴于模型在設(shè)計(jì)過程中。我們必須考慮到一個(gè)事實(shí)，即質(zhì)粒的拷貝數(shù)和基因組中的拷貝數(shù)是可變的設(shè)計(jì)時(shí)，毒素和抗毒素成分。我們發(fā)現(xiàn)，該啟動(dòng)子的holin-細(xì)胞內(nèi)溶素的質(zhì)粒具有弱于的holin構(gòu)建體中的基因組是有效的是40-400倍。該比率應(yīng)采取考慮到的基因的拷貝數(shù)之間的可變性，并確保不存在的至少一個(gè)為每一個(gè)反holin分子產(chǎn)生holin分子?？梢钥隙ǖ氖?，我們修改后的細(xì)菌會(huì)存活holin的和溶素的生產(chǎn)，我們選擇了J23103的啟動(dòng)子具有一定的實(shí)力在低端的啟動(dòng)子強(qiáng)度范圍。這提供了以下兩種結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)：3。表達(dá)的設(shè)備不會(huì)有太大的代謝負(fù)擔(dān)雖然這個(gè)規(guī)范是非常重要的，它沒有在這個(gè)版本的模塊的設(shè)計(jì)中發(fā)揮了巨大的作用。這是因?yàn)?，就目前而言，生長素是一種概念證明系統(tǒng)。一旦它已經(jīng)表明，基因Guard是一個(gè)可行的遏制方法，我們將修改的構(gòu)造，以實(shí)現(xiàn)具有抗holin滅活holin，而不是對細(xì)胞是一個(gè)很大的負(fù)擔(dān)之間的理想平衡。4。能夠測試系統(tǒng)的工作原理為了做到這一點(diǎn)，我們決定附加RFP作為holin根據(jù)相同的啟動(dòng)子和細(xì)胞內(nèi)溶素的基因的編碼序列。這將使我們能夠輕松，直觀的測試細(xì)胞是否包含我們的質(zhì)粒。至于holin構(gòu)建體，CRIM質(zhì)粒已經(jīng)包含一個(gè)sfGFP的序列。將能夠區(qū)分我們完成的構(gòu)建從每一個(gè)其他的細(xì)胞，由于其卡那霉素和氨芐青霉素抗性，以及其生產(chǎn)的RFP和sfGFP。因此，我們將能夠看到我們的質(zhì)粒轉(zhuǎn)移到一個(gè)單元格不發(fā)出綠色熒光，應(yīng)該是能夠跟蹤是否溶解或下寬視場顯微鏡。（4）模型1）簡介基因防護(hù)裝置包括三種蛋白質(zhì)：1。 Holin是一種蛋白質(zhì)，形成孔隙的配合物在細(xì)菌內(nèi)膜和這些孔允許細(xì)胞內(nèi)溶素進(jìn)入的周質(zhì)空間。2 溶素是一種酶，能分解細(xì)胞壁和誘導(dǎo)細(xì)胞裂解。3。 反holin結(jié)合holin并阻止它的形成毛孔。我們的系統(tǒng)將holin和細(xì)胞內(nèi)溶素的基因一起的草本-路由和生長素隨心基因的質(zhì)粒上，和反holin基因的強(qiáng)啟動(dòng)子的控制下的基因組上。該生產(chǎn)的抗holin的會(huì)阻止細(xì)胞裂解的轉(zhuǎn)基因（GM）細(xì)菌通過停用holin。如果該質(zhì)粒不含抗holin它的基因組（例如任何野生型土壤細(xì)菌）轉(zhuǎn)移到一個(gè)不同的細(xì)菌，holin和細(xì)胞內(nèi)溶素的表達(dá)誘導(dǎo)細(xì)胞裂解。這將防止擴(kuò)散的生長素載體，含有植物的路線和生長素隨心基因，自然產(chǎn)生的土壤細(xì)菌。2）目標(biāo)此設(shè)備的成功的關(guān)鍵是正確的比例，這樣的反holin的，可以關(guān)閉所有holin，我們修改后的細(xì)菌中產(chǎn)生的，并holin的表達(dá)水平野生型細(xì)菌的holin和反holin的生產(chǎn)是高到足以誘導(dǎo)細(xì)胞溶解?？刂苹虮磉_(dá)的啟動(dòng)子強(qiáng)度和核糖體結(jié)合位點(diǎn)（RBS）的實(shí)力，造型的基因警衛(wèi)，重要的是要幫助我們選擇適當(dāng)強(qiáng)度的一個(gè)子和蘇格蘭皇家銀行的。3）說明基因衛(wèi)兵的建模由兩部分組成，一個(gè)是在野生型細(xì)菌的holin生產(chǎn)和其他抗holin holin的失活在我們的改性的細(xì)菌。因?yàn)樵谖覀兊南到y(tǒng)中的所有的基因組成型表達(dá)，我們只考慮穩(wěn)定狀態(tài)。在野生型土壤細(xì)菌的Holin生產(chǎn)導(dǎo)出一個(gè)單一的質(zhì)粒的啟動(dòng)子強(qiáng)度之間的關(guān)系，和RBS強(qiáng)度holin集中在這部分的造型。為了模擬這種情況，作如下假設(shè)：1）基因衛(wèi)隊(duì)包含在一個(gè)pSB1C3質(zhì)粒含有pUC19中衍生的促進(jìn)pMB1復(fù)制起點(diǎn)（100-300分子每單元）5 。在細(xì)菌中的質(zhì)粒的數(shù)量范圍從100到300每個(gè)細(xì)胞。為了確保子和蘇格蘭皇家銀行是足夠強(qiáng)大的的holin /溶素是有效的，我們低估了質(zhì)粒的土壤細(xì)菌為50，盡管他們總是至少有100。因此，我們的系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)該工作的質(zhì)粒在土壤細(xì)菌的數(shù)目是大于50。2）該文獻(xiàn)表明，發(fā)生細(xì)胞溶解在holin等于1000個(gè)分子/細(xì)胞的濃度1，5，6 ，因此，我們用這樣的細(xì)胞裂解在我們的系統(tǒng)中的閾值濃度。3）由于所使用的結(jié)構(gòu)表征Pveg子去年包含一個(gè)突變中，我們假設(shè)， 我們用于抗holin的啟動(dòng)，Pveg2具有相同的強(qiáng)度，Pveg?；谶@些假設(shè)，野生型細(xì)菌細(xì)胞裂解的動(dòng)力學(xué)模型，用普通的微分方程（ODEs）的holin表達(dá)和holin的蛋白質(zhì)（公式1）。在穩(wěn)定狀態(tài)（即 表達(dá)holin / DT = 0和d holin / DT = 0），重新整理式（1）holin = 1000，我們獲得了表達(dá)在所示為P holin K表holin的公式2。Holin抑制基因細(xì)菌在我們的細(xì)菌的基因組上的強(qiáng)度的啟動(dòng)子和RBS控制表達(dá)的反holin應(yīng)該高于與holin一個(gè)單一的質(zhì)粒，例如，300的質(zhì)粒的拷貝（最大拷貝數(shù)在一個(gè)單一的細(xì)菌所產(chǎn)生的所有的holin ）可以被抑制。在我們的系統(tǒng)中，抗-holin到holin結(jié)合形成二聚體，它被定義為失活的holin。由式（3）的機(jī)制，我們修改后的細(xì)菌。我們定義的啟動(dòng)子和RBS強(qiáng)度的比率分別為抗-holin和holin為“m”，如公式4中看到。4）結(jié)果與討論 通過改變比m的公式4中，我們發(fā)現(xiàn)，在轉(zhuǎn)基因細(xì)菌holin濃度下降至零比米300（參見圖1）。然后，我們測試了米= 400與反holin啟動(dòng)子（J23100），我們有與強(qiáng)度13.1皮克核糖核酸/分鐘/g的底物DNA，其結(jié)果是顯 示在圖2中。圖1：在轉(zhuǎn)基因細(xì)菌holin濃度與比m（米=（P 的抗holin 抗holin）/（P holin holin）。本圖顯示了細(xì)胞內(nèi)的濃度holin保持在零，如果m> 300。（模型由英國倫敦帝國學(xué)院2011年iGEM比賽的球隊(duì)）。圖2：在m = 400的不同蛋白物種隨時(shí)間的演變。所有的holin蛋白在轉(zhuǎn)基因細(xì)胞的抑制的holin濃度保持在所有的時(shí)間，而holin野生型細(xì)菌的濃度達(dá)到1000每單元后5000秒的模型由倫敦帝國學(xué)院2011年iGEM比賽的球隊(duì)?？傊?，基因后衛(wèi)的造型告訴他們，啟動(dòng)子的強(qiáng)度和RBS holin和反holin的強(qiáng)度可任意選擇，只要他們的比率（即 P的反holin K表抗holin）/（holin K表holin的） > 300），以使其一定，的比例值400被選擇為我們的項(xiàng)目。