基于DNA链置换的新型生物分子控制器的实现方法技术

本发明专利技术公开了基于DNA链置换的新型生物分子控制器的实现方法，包括：用抽象的化学反应对酶促蛋白质水解反应过程进行建模；构建基于共价键修饰循环CMC的Brink控制器BC；构建带有直接正向自调节PAR结构的共价键修饰循环CMC

【技术实现步骤摘要】
基于DNA链置换的新型生物分子控制器的实现方法


[0001]本专利技术涉及生物系统化学反应网络的反馈控制
，具体涉及基于DNA链置换的新型生物分子控制器的实现方法。

技术介绍

[0002]化学反应网络(CRNs)通常被用来表示反馈控制系统，以反映生物分子反馈控制电路的性能。同时，DNA分子被广泛认为是构建基于CRNs的分子器件理想工程材料。在设计诸如生化控制器等应用时，构建CRNs来表示系统的动力学是一个主要目标。
[0003]现有关于CRNs和DNA链置换反应的专利大多集中于逻辑运算和图像加密等方面。此外，基于CRNs的控制器大多采用双轨表示方法，这直接导致控制器实现所需的CRNs数量大幅度增多，进而增大了DNA实现的复杂度。CRNs提供了复杂的生化过程抽象表示，这为构建控制系统中各个模块的化学反应网络表示和反映生物分子反馈控制电路的性能表现提供了重要前提。
[0004]目前基于CRNs的控制器，经历了PI控制器、PID控制器和非线性QSM控制器等一系列的演变。然而这些控制器在结构上存在信号间的减法运算，使得CRNs的设计依赖于双轨表示方法，增加了实现所需的CRNs数量，进而大大增加了DNA实现的难度。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于，设计了两种基于DNA链置换的新型生物分子控制器，即带有直接正向自调节PAR的改进Brink控制器(BC
‑
DPAR)和带有间接正向自调节PAR的改进Brink控制器(BC
‑
IPAR)，实现对酶促蛋白质水解反应的过程控制，使得水解产物能够实现预期的水平。
[0006]为实现上述目的，本申请提出基于DNA链置换的新型生物分子控制器的实现方法，包括：
[0007]用抽象的化学反应对酶促蛋白质水解反应过程进行建模；
[0008]构建基于共价键修饰循环CMC的Brink控制器，该控制器能够实现超灵敏的开关式输入输出响应；
[0009]对共价键修饰循环进行改进，将其与直接正自动调节PAR相结合，构建带有直接PAR结构的共价键修饰循环CMC
‑
D；根据CMC
‑
D，利用抽象的CRNs获取改进Brink控制器BC
‑
DPAR；
[0010]对共价键修饰循环进行改进，将其与间接正自动调节PAR相结合，构建带有间接PAR结构的共价键修饰循环CMC
‑
I；根据CMC
‑
I，利用抽象的CRNs获取改进Brink控制器BC
‑
IPAR；
[0011]利用DNA链置换反应构建基于CRNs的酶促蛋白质水解模型；
[0012]通过DNA链置换机制，分别构建控制器BC、BC
‑
DPAR和BC
‑
IPAR；结合所述酶促蛋白质水解模型，依据控制器的差异构建不同的控制方案。
[0013]本专利技术采用的以上技术方案，与现有技术相比，具有的优点是：本专利技术用尽可能少的抽象化学反应构建生化控制器，提出了基于DNA链置换反应的控制器BC
‑
DPAR和BC
‑
IPAR。与现有技术相比，一方面，提出的两种控制器在Brink控制器的基础上，引入PAR结构，进而提高超灵敏响应的稳定性；另一方面，提出的控制器规避了CRNs设计时双轨表示方法的限制，在结构上不涉及减法运算的应用，减少了实现所需的抽象化学反应数量，大大简化了DNA实现的复杂度。
[0014]此外，以酶促蛋白质水解反应为背景，进而构建了基于CRNs的酶促蛋白质水解反应模型。考虑到CRNs与DNA反应之间的转化表示，利用DNA链置换机制实现不同控制器(包括控制器BC、BC
‑
DPAR和BC
‑
IPAR)下的酶促蛋白质水解反应过程的控制方案。相较于BC控制方案，关于酶促蛋白质水解过程的BC
‑
DPAR和BC
‑
IPAR方案在一定程度上提高了水解产物的输出效果，能更快的实现预期输出水平。其中BC
‑
DPAR控制方案的调控效果更接近理想控制效果。
附图说明
[0015]图1为酶促蛋白质水解过程模型的表示图；
[0016]图2为共价键修饰循环的框架图；
[0017]图3为基于CRNs共价键修饰循环的表示图；
[0018]图4为基于Brink控制器的控制框图；
[0019]图5为带有直接正向自调节的CMC
‑
D框架图；
[0020]图6为带有直接正向自调节的CMC
‑
D化学反应网络表示图；
[0021]图7为带有直接正向自调节的控制器BC
‑
DPAR的控制框图；
[0022]图8为带有间接正向自调节的CMC
‑
I框架图；
[0023]图9为带有间接正向自调节的CMC
‑
I化学反应网络表示图；
[0024]图10为带有间接正向自调节的控制器BC
‑
IPAR的控制框图；
[0025]图11为反应的DNA实现示意图；
[0026]图12为反应的DNA实现示意图；
[0027]图13为反应的DNA实现示意图；
[0028]图14为在BC、BC
‑
IPAR和BC
‑
DPAR控制方案中(a)和(b)两种情况下蛋白质水解反应过程的轨迹跟踪响应图。
具体实施方式
[0029]为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本申请，并不用于限定本申请，即所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。
[0030]因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
[0031]实施例1
[0032]本实施例基于CRNs和DNA链置换反应提出了两种新型控制器，即带有直接正向自调节PAR的改进Brink控制器(BC
‑
DPAR)和带有间接正向自调节PAR的改进Brink控制器(BC
‑
IPAR)，并从实现原理、作用机制和仿真的角度上进行性能分析。此外，利用抽象的化学反应对酶促蛋白质水解过程进行建模，进而提出了一种基于CRNs的酶促蛋白质水解模型。接下来，将提出的蛋白质水解模型分别与控制器BC、BC
‑
DPAR和BC
‑
IPAR进行整合，利用DNA链置换反应验证控制方案的DNA实现的可行性，进而设计相应的控制方案，实现对酶促蛋白质水解反应的过程控制，使得水解产物能够实现预期的水平。其实现方本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于DNA链置换的新型生物分子控制器的实现方法，其特征在于，包括：用抽象的化学反应对酶促蛋白质水解反应过程进行建模；构建基于共价键修饰循环CMC的Brink控制器，该控制器能够实现超灵敏的开关式输入输出响应；对共价键修饰循环进行改进，将其与直接正自动调节PAR相结合，构建带有直接PAR结构的共价键修饰循环CMC
‑
D；根据CMC
‑
D，利用抽象的CRNs获取改进Brink控制器BC
‑
DPAR；对共价键修饰循环进行改进，将其与间接正自动调节PAR相结合，构建带有间接PAR结构的共价键修饰循环CMC
‑
I；根据CMC
‑
I，利用抽象的CRNs获取改进Brink控制器BC
‑
IPAR；利用DNA链置换反应构建基于CRNs的酶促蛋白质水解模型；通过DNA链置换机制，分别构建控制器BC、BC
‑
DPAR和BC
‑
IPAR；结合所述酶促蛋白质水解模型，依据控制器的差异构建不同的控制方案。2.根据权利要求1所述基于DNA链置换的新型生物分子控制器的实现方法，其特征在于，用抽象的化学反应对酶促蛋白质水解反应过程进行建模，具体为：于，用抽象的化学反应对酶促蛋白质水解反应过程进行建模，具体为：于，用抽象的化学反应对酶促蛋白质水解反应过程进行建模，具体为：其中参数k1和k2表示催化速率，k3表示降解速率；X
P
和X
E
分别表示蛋白质和酶，X
P:E
和X
A
分别表示蛋白质
‑
酶复合物和水解产物；X
W
代表了物质——水；反应用于描述氨基酸或多肽的降解过程；结合质量作用动力学MAK，对应的常微分方程组ODEs为：结合质量作用动力学MAK，对应的常微分方程组ODEs为：结合质量作用动力学MAK，对应的常微分方程组ODEs为：结合质量作用动力学MAK，对应的常微分方程组ODEs为：其中，[
·
]
t
表示
·
的化学浓度；依据上面的方程组，得到如下结果：表明X
E
+X
P:E
的总质量是守恒的，即X
Total
＝X
E
+X
P:E
。3.根据权利要求1所述基于DNA链置换的新型生物分子控制器的实现方法，其特征在于，共价键修饰循环CMC表示为：于，共价键修饰循环CMC表示为：于，共价键修饰循环CMC表示为：
其中，激活剂X
a
与非活性物质U
*
结合，并将其转化为活性物质U；失活剂X
d
与活性物质U结合，并将其转化为非活性物质U
*
；参数k
b1
，k
c1
，k
b2
和k
c2
均表示相应的反应速率；相应的ODEs为：相应的ODEs为：相应的ODEs为：相应的ODEs为：相应的ODEs为：相应的ODEs为：从上述方程组中得到：从上述方程组中得到：从上述方程组中得到：其表明C1+X
a
，C2+X
d
，和C1+C2+U
*
+U的总质量在整个演化过程中都是保持守恒的。4.根据权利要求3所述基于DNA链置换的新型生物分子控制器的实现方法，其特征在于，基于共价键修饰循环结构的Brink控制器，表示为：于，基于共价键修饰循环结构的Brink控制器，表示为：于，基于共价键修饰循环结构的Brink控制器，表示为：于，基于共价键修饰循环结构的Brink控制器，表示为：于，基于共价键修饰循环结构的Brink控制器，表示为：于，基于共价键修饰循环结构的Brink控制器，表示为：于，基于共价键修饰循环结构的Brink控制器，表示为：其中，R和Y是Brink控制器的输入，而U表示控制器输出；参数k
c
、θ
c
和α
c
表示催化速率，γ
c
和β
c
表示结合速率，φ
c
表示降解速率；物质R
r
和R
y
结合形成复合物R
r
·
R
y
，这个复合物不与任何其他物质相互作用；此外，R产生物质R
r
，然后与U
*
反应形成U，而Y产生物质R
y
，然后与U反应形成U
*
；结合MAK理论，对应的ODEs方程为：
从上述方程组中能够得到：其表明U+U
*
的总质量在时间演化中是守恒，即U
Total
＝U
*
+U。5.根据权利要求1所述基于DNA链置换的新型生物分子控制器的实现方法，其特征在于，带有直接PAR结构的共价键修饰循环CMC
‑
D表示为：D表示为：D表示为：D表示为：D表示为：D表示为：其中，非活性物质U
*
与X
a
结合形成U，但U与X
d
反应形成U
*
；此外，CMC
‑
D中还存在以下结构：非活性物质U
*
在物质U的作用下转化为U，即反应U
*
+U
→
C3→
U+U；参数k
b1
、k
b2
和k
b3
表示结合速率，k
c1
、k
c2
和k
c3
均表示解离速率；相应的ODEs为...

【专利技术属性】
技术研发人员：吕卉，肖以君，王兴安，
申请(专利权)人：大连大学，
类型：发明
国别省市：