本發(fā)明涉及細(xì)胞計(jì)算機(jī)領(lǐng)域，尤其是涉及一種細(xì)菌細(xì)胞運(yùn)算器以及細(xì)胞計(jì)算機(jī)。

背景技術(shù)：

細(xì)胞計(jì)算機(jī)的構(gòu)建是當(dāng)前的一個(gè)研究熱點(diǎn)。然而，由于細(xì)胞的結(jié)構(gòu)簡單，細(xì)胞計(jì)算機(jī)的構(gòu)建遭遇規(guī)模的瓶頸，而構(gòu)建分布式細(xì)胞計(jì)算系統(tǒng)是解決這一問題的有效方法。

分布式細(xì)胞計(jì)算系統(tǒng)利用細(xì)胞通信原理實(shí)現(xiàn)細(xì)胞封裝策略，以便于構(gòu)建執(zhí)行復(fù)雜功能的細(xì)胞計(jì)算機(jī)。圖1是細(xì)胞封裝策略的原理示意圖，從圖中可以看出，細(xì)胞封裝策略的核心是將多個(gè)功能劃分到不同的細(xì)胞，每個(gè)細(xì)胞只實(shí)現(xiàn)一個(gè)特定功能，通過連接線(化學(xué)信號(hào))連接各功能模塊組成系統(tǒng)。細(xì)胞封裝策略的優(yōu)點(diǎn)包括：(1)功能分布于單個(gè)細(xì)胞能提高模塊復(fù)用性并減少構(gòu)建基因線路時(shí)的不可預(yù)測(cè)性；(2)多層連接可過濾噪音。

分布式細(xì)胞計(jì)算系統(tǒng)的代表性成就為Tamsir等人2011年利用大腸桿菌構(gòu)建的多細(xì)胞計(jì)算系統(tǒng)，該系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)所有的雙輸入單輸出邏輯運(yùn)算。但是，目前分布式細(xì)胞計(jì)算系統(tǒng)還處于萌芽狀態(tài)，科學(xué)家構(gòu)建的分布式細(xì)胞計(jì)算系統(tǒng)的功能還非常有限。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種細(xì)菌細(xì)胞運(yùn)算器以及細(xì)胞計(jì)算機(jī)，能夠進(jìn)行加法邏輯運(yùn)算，從而實(shí)現(xiàn)了分布式細(xì)胞加法器。

第一方面，本發(fā)明提供了一種細(xì)菌細(xì)胞運(yùn)算器，包括第一細(xì)胞、第二細(xì)胞和第三細(xì)胞；

所述第一細(xì)胞中包括與門響應(yīng)器，當(dāng)向所述與門響應(yīng)器同時(shí)輸入第一輸入物質(zhì)和第二輸入物質(zhì)時(shí)，所述與門響應(yīng)器輸出信號(hào)分子；

所述第二細(xì)胞中包括信號(hào)分子響應(yīng)器，當(dāng)所述信號(hào)分子響應(yīng)器感應(yīng)到所述信號(hào)分子時(shí)，所述信號(hào)分子響應(yīng)器輸出第一輸出物質(zhì)；

所述第三細(xì)胞中包括或門響應(yīng)器和重組酶響應(yīng)器，當(dāng)向所述或門響應(yīng)器輸入第一輸入物質(zhì)或第二輸入物質(zhì)時(shí)，所述或門響應(yīng)器輸出第二輸出物質(zhì)；當(dāng)所述重組酶響應(yīng)器感應(yīng)到所述信號(hào)分子時(shí)，所述重組酶響應(yīng)器輸出重組酶，所述重組酶能夠抑制所述或門響應(yīng)器的輸出。

結(jié)合第一方面，本發(fā)明實(shí)施例提供了第一方面的第一種可能的實(shí)施方式，其中，所述第一細(xì)胞、所述第二細(xì)胞和所述第三細(xì)胞均為E.coli BL21菌株細(xì)胞。

結(jié)合第一方面，本發(fā)明實(shí)施例提供了第一方面的第二種可能的實(shí)施方式，其中，所述第一輸入物質(zhì)為阿拉伯糖，所述第二輸入物質(zhì)為異丙基-β-D-硫代吡喃半乳糖苷。

結(jié)合第一方面，本發(fā)明實(shí)施例提供了第一方面的第三種可能的實(shí)施方式，其中，所述信號(hào)分子為細(xì)菌群體感應(yīng)信號(hào)分子。

結(jié)合第一方面，本發(fā)明實(shí)施例提供了第一方面的第四種可能的實(shí)施方式，其中，所述細(xì)菌群體感應(yīng)信號(hào)分子為N-?；呓z氨酸內(nèi)酯。

結(jié)合第一方面，本發(fā)明實(shí)施例提供了第一方面的第五種可能的實(shí)施方式，其中，所述第三細(xì)胞中的基因線路上包括兩個(gè)DNA定點(diǎn)重組酶位點(diǎn)，且所述或門響應(yīng)器的DNA片段位于所述兩個(gè)DNA定點(diǎn)重組酶位點(diǎn)之間；

所述重組酶為DNA定點(diǎn)重組酶，能夠抑制所述兩個(gè)DNA定點(diǎn)重組酶位點(diǎn)之間的DNA片段發(fā)揮作用。

結(jié)合第一方面，本發(fā)明實(shí)施例提供了第一方面的第六種可能的實(shí)施方式，其中，所述DNA定點(diǎn)重組酶為FLP重組酶，所述DNA定點(diǎn)重組酶位點(diǎn)為FRT位點(diǎn)。

結(jié)合第一方面，本發(fā)明實(shí)施例提供了第一方面的第七種可能的實(shí)施方式，其中，所述DNA定點(diǎn)重組酶為Cre重組酶；

所述DNA定點(diǎn)重組酶位點(diǎn)為LoxP位點(diǎn)，或者所述DNA定點(diǎn)重組酶位點(diǎn)為Lox71位點(diǎn)和Lox66位點(diǎn)。

結(jié)合第一方面，本發(fā)明實(shí)施例提供了第一方面的第八種可能的實(shí)施方式，其中，所述第一輸出物質(zhì)為紅色熒光蛋白，所述第二輸出物質(zhì)為綠色熒光蛋白。

第二方面，本發(fā)明實(shí)施例還提供一種細(xì)胞計(jì)算機(jī)，包括若干上述的細(xì)菌細(xì)胞運(yùn)算器。

本發(fā)明帶來了以下有益效果：本發(fā)明提供的細(xì)菌細(xì)胞運(yùn)算器中包括三個(gè)細(xì)胞，并且利用了兩種輸入物質(zhì)和兩種輸出物質(zhì)。

當(dāng)細(xì)菌細(xì)胞運(yùn)算器所在的環(huán)境中，兩種輸入物質(zhì)都不存在時(shí)，第一細(xì)胞中的與門響應(yīng)器不工作，不輸出信號(hào)分子，因而第二細(xì)胞中的信號(hào)分子響應(yīng)器也不工作，不會(huì)輸出第一輸出物質(zhì)。第三細(xì)胞中的或門響應(yīng)器也不工作，不輸出第二輸出物質(zhì)。此時(shí)，相當(dāng)于兩個(gè)輸入為0，兩個(gè)輸出為0，即0+0＝00。

當(dāng)向細(xì)菌細(xì)胞運(yùn)算器所在的環(huán)境中，添加兩種輸入物質(zhì)中的一種時(shí)，第一細(xì)胞中的與門響應(yīng)器不工作，不輸出信號(hào)分子，因而第二細(xì)胞中的信號(hào)分子響應(yīng)器也不工作，不會(huì)輸出第一輸出物質(zhì)。第三細(xì)胞中的或門響應(yīng)器被激發(fā)，輸出第二輸出物質(zhì)。此時(shí)，相當(dāng)于兩個(gè)輸入為0、1或1、0，第一輸出為0，第二輸出為1，即0+1＝01或1+0＝01。

當(dāng)向細(xì)菌細(xì)胞運(yùn)算器所在的環(huán)境中，添加兩種輸入物質(zhì)時(shí)，第一細(xì)胞中的與門響應(yīng)器工作，輸出信號(hào)分子，因而第二細(xì)胞中的信號(hào)分子響應(yīng)器工作，輸出第一輸出物質(zhì)。第三細(xì)胞中的重組酶響應(yīng)器工作，生成重組酶，而重組酶會(huì)抑制或門響應(yīng)器的輸出，導(dǎo)致不輸出第二輸出物質(zhì)。此時(shí)，相當(dāng)于兩個(gè)輸入為1，第一輸出為1，第二輸出為0，即1+1＝10。

因此，采用本發(fā)明提供的細(xì)菌細(xì)胞運(yùn)算器，能夠通過兩種輸入物質(zhì)及兩種輸出物質(zhì)，進(jìn)行二進(jìn)制數(shù)的加法邏輯運(yùn)算，從而實(shí)現(xiàn)了分布式細(xì)胞加法器。

本發(fā)明的其他特征和優(yōu)點(diǎn)將在隨后的說明書中闡述，并且，部分地從說明書中變得顯而易見，或者通過實(shí)施本發(fā)明而了解。本發(fā)明的目的和其他優(yōu)點(diǎn)在說明書、權(quán)利要求書以及附圖中所特別指出的結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)和獲得。

為使本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點(diǎn)能更明顯易懂，下文特舉較佳實(shí)施例，并配合所附附圖，作詳細(xì)說明如下。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明具體實(shí)施方式或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)具體實(shí)施方式或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖是本發(fā)明的一些實(shí)施方式，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為現(xiàn)有的細(xì)胞封裝策略的原理示意圖；

圖2為本發(fā)明實(shí)施例一提供的細(xì)菌細(xì)胞運(yùn)算器的示意圖；

圖3為本發(fā)明實(shí)施例一提供的細(xì)菌細(xì)胞運(yùn)算器中第一細(xì)胞的基因線路的DNA組成的示意圖；

圖4為本發(fā)明實(shí)施例一提供的細(xì)菌細(xì)胞運(yùn)算器中第二細(xì)胞的基因線路的DNA組成的示意圖；

圖5為本發(fā)明實(shí)施例一提供的細(xì)菌細(xì)胞運(yùn)算器中第三細(xì)胞的基因線路的DNA組成的示意圖；

圖6為本發(fā)明實(shí)施例二提供的細(xì)菌細(xì)胞運(yùn)算器中第三細(xì)胞的基因線路的DNA組成的示意圖。

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明實(shí)施例的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

實(shí)施例一：

如圖2所示，本發(fā)明實(shí)施例提供一種細(xì)菌細(xì)胞運(yùn)算器，包括第一細(xì)胞10、第二細(xì)胞20和第三細(xì)胞30。

其中，第一細(xì)胞10中包括與門響應(yīng)器101。當(dāng)向與門響應(yīng)器101同時(shí)輸入第一輸入物質(zhì)和第二輸入物質(zhì)時(shí)，與門響應(yīng)器101輸出信號(hào)分子。

第二細(xì)胞20中包括信號(hào)分子響應(yīng)器201。當(dāng)信號(hào)分子響應(yīng)器201感應(yīng)到信號(hào)分子時(shí)，信號(hào)分子響應(yīng)器201輸出第一輸出物質(zhì)。

第三細(xì)胞30中包括或門響應(yīng)器301和重組酶響應(yīng)器302。當(dāng)向或門響應(yīng)器301輸入第一輸入物質(zhì)或第二輸入物質(zhì)時(shí)，或門響應(yīng)器301輸出第二輸出物質(zhì)。當(dāng)重組酶響應(yīng)器302感應(yīng)到信號(hào)分子時(shí)，重組酶響應(yīng)器302輸出重組酶，重組酶能夠抑制或門響應(yīng)器301的輸出。

本發(fā)明實(shí)施例提供的細(xì)菌細(xì)胞運(yùn)算器中包括三個(gè)細(xì)胞，并且利用了兩種輸入物質(zhì)和兩種輸出物質(zhì)。

當(dāng)細(xì)菌細(xì)胞運(yùn)算器所在的環(huán)境中，兩種輸入物質(zhì)都不存在時(shí)，第一細(xì)胞10中的與門響應(yīng)器101不工作，不輸出信號(hào)分子，因而第二細(xì)胞20中的信號(hào)分子響應(yīng)器201也不工作，不會(huì)輸出第一輸出物質(zhì)。第三細(xì)胞30中的或門響應(yīng)器301也不工作，不輸出第二輸出物質(zhì)。此時(shí)，相當(dāng)于兩個(gè)輸入為0，兩個(gè)輸出為0，即0+0＝00。

當(dāng)向細(xì)菌細(xì)胞運(yùn)算器所在的環(huán)境中，添加兩種輸入物質(zhì)中的一種時(shí)，第一細(xì)胞10中的與門響應(yīng)器101不工作，不輸出信號(hào)分子，因而第二細(xì)胞20中的信號(hào)分子響應(yīng)器201也不工作，不會(huì)輸出第一輸出物質(zhì)。第三細(xì)胞30中的或門響應(yīng)器301被激發(fā)，輸出第二輸出物質(zhì)。此時(shí)，相當(dāng)于兩個(gè)輸入為0、1或1、0，第一輸出為0，第二輸出為1，即0+1＝01或1+0＝01。

當(dāng)向細(xì)菌細(xì)胞運(yùn)算器所在的環(huán)境中，添加兩種輸入物質(zhì)時(shí)，第一細(xì)胞10中的與門響應(yīng)器101工作，輸出信號(hào)分子，因而第二細(xì)胞20中的信號(hào)分子響應(yīng)器201工作，輸出第一輸出物質(zhì)。第三細(xì)胞30中的重組酶響應(yīng)器302工作，生成重組酶，而重組酶會(huì)抑制或門響應(yīng)器301的輸出，導(dǎo)致不輸出第二輸出物質(zhì)。此時(shí)，相當(dāng)于兩個(gè)輸入為1，第一輸出為1，第二輸出為0，即1+1＝10。

因此，采用本發(fā)明實(shí)施例提供的細(xì)菌細(xì)胞運(yùn)算器，能夠通過兩種輸入物質(zhì)及兩種輸出物質(zhì)，進(jìn)行二進(jìn)制數(shù)的加法邏輯運(yùn)算，從而實(shí)現(xiàn)了分布式細(xì)胞加法器。

本發(fā)明實(shí)施例提供的細(xì)菌細(xì)胞運(yùn)算器中的化學(xué)線，主要利用了群體感應(yīng)原理。細(xì)菌通過分泌一種或者幾種小分子量的化學(xué)信號(hào)分子相互交流，協(xié)調(diào)群體行為，這一現(xiàn)象被稱為群體感應(yīng)。群體感應(yīng)現(xiàn)象最早發(fā)現(xiàn)存在于海洋中的一種發(fā)光費(fèi)氏弧菌中，費(fèi)氏弧菌定殖于夏威夷魷魚的發(fā)光器官內(nèi)，當(dāng)細(xì)菌達(dá)到一定的密度后，就會(huì)誘導(dǎo)發(fā)光基因的表達(dá)。細(xì)菌的生物發(fā)光為魷魚提供光源，掩蓋其影子來保護(hù)自身，同時(shí)，細(xì)菌也獲得一個(gè)合適的棲息場(chǎng)所。

費(fèi)氏弧菌的群體感應(yīng)系統(tǒng)包含LuxI蛋白和LuxR蛋白兩種組分。LuxI蛋白是自體誘導(dǎo)物合成酶，能夠合成信號(hào)分子AHL，LuxR蛋白是細(xì)胞質(zhì)內(nèi)自體誘導(dǎo)物感受因子，同時(shí)也是一種DNA結(jié)合轉(zhuǎn)錄激活元件，AHL擴(kuò)散到細(xì)胞外后，隨著細(xì)胞密度的增加而積累，當(dāng)這種信號(hào)密度積累到臨界密度時(shí)就與LuxR蛋白結(jié)合，結(jié)合后的復(fù)合物能激活熒光素酶基因轉(zhuǎn)錄。

作為一個(gè)優(yōu)選方案，本實(shí)施例中的第一細(xì)胞10和第三細(xì)胞30選用為E.coli BL21(DE3)菌株細(xì)胞，第二細(xì)胞20可以選用E.coli BL21(DE3)菌株細(xì)胞，也可以選用其他E.coli菌株。

本實(shí)施例中，第一輸入物質(zhì)為阿拉伯糖，第二輸入物質(zhì)為異丙基-β-D-硫代吡喃半乳糖苷(IPTG)，信號(hào)分子為細(xì)菌群體感應(yīng)信號(hào)分子，優(yōu)選為N-酰基高絲氨酸內(nèi)酯(AHL)。

此外，本實(shí)施例中的第一輸出物質(zhì)為紅色熒光蛋白(Red Fluorescent Protein，RFP)，第二輸出物質(zhì)為綠色熒光蛋白(Green Fluorescent Protein，GFP)。選用紅色熒光蛋白和綠色熒光蛋白作為兩種輸出物質(zhì)，能夠清晰的觀察到細(xì)菌細(xì)胞運(yùn)算器的輸出情況。

進(jìn)一步，第三細(xì)胞30中的基因線路上包括兩個(gè)DNA定點(diǎn)重組酶位點(diǎn)，對(duì)應(yīng)于重組酶，并且或門響應(yīng)器301的DNA片段位于兩個(gè)DNA定點(diǎn)重組酶位點(diǎn)之間。重組酶為DNA定點(diǎn)重組酶，能夠抑制兩個(gè)DNA定點(diǎn)重組酶位點(diǎn)之間的DNA片段發(fā)揮作用。本實(shí)施例中的DNA定點(diǎn)重組酶為FLP(Flippase Recombination Enzyme)重組酶，重組位點(diǎn)為FRT(FLP Recombination Target)位點(diǎn)。

本方案利用阿拉伯糖、IPTG和AHL的調(diào)控原理，以及DNA定點(diǎn)重組酶FLP的編輯功能，在E.coli BL21(DE3)菌株中構(gòu)建了一個(gè)實(shí)施例，相關(guān)原理如下：

阿拉伯糖調(diào)控：E.coli BL21(DE3)菌株能組成性表達(dá)AraC蛋白，當(dāng)細(xì)胞中沒有阿拉伯糖時(shí)，AraC蛋白在DNA上形成一個(gè)很大的環(huán)，這個(gè)環(huán)阻止了RNA聚合酶啟動(dòng)轉(zhuǎn)錄，pBAD啟動(dòng)子無法表達(dá)后面的基因。當(dāng)細(xì)胞中存在阿拉伯糖時(shí)，阿拉伯糖能與AraC蛋白結(jié)合，使得兩個(gè)AraC蛋白都結(jié)合在啟動(dòng)子附近，DNA環(huán)打開，RNA聚合酶啟動(dòng)轉(zhuǎn)錄，pBAD啟動(dòng)子能夠啟動(dòng)后面的基因表達(dá)。

IPTG調(diào)控：E.coli BL21(DE3)菌株中，IPTG能誘導(dǎo)T7 RNA聚合酶的合成，T7 RNA聚合酶能啟動(dòng)T7啟動(dòng)子，因而IPTG可控制T7啟動(dòng)子的啟動(dòng)。

AHL調(diào)控：LuxI蛋白是自體誘導(dǎo)物合成酶，能夠合成信號(hào)分子AHL，LuxR蛋白是細(xì)胞質(zhì)內(nèi)自體誘導(dǎo)物感受因子，能抑制Prlux啟動(dòng)子，與AHL結(jié)合后，解除對(duì)Prlux啟動(dòng)子的抑制，使得Prlux啟動(dòng)子能啟動(dòng)后面基因的表達(dá)。

重組酶FLP：DNA定點(diǎn)重組酶FLP能識(shí)別FRT位點(diǎn)，并刪除兩個(gè)同向FRT位點(diǎn)間的DNA片段。

因此，本實(shí)施例中以阿拉伯糖作為第一輸入物質(zhì)，IPTG作為第二輸入物質(zhì)，紅色熒光蛋白作為第一輸出物質(zhì)，綠色熒光蛋白作為第二輸出物質(zhì)。而選用E.coli BL21(DE3)菌株作為第一細(xì)胞10和第三細(xì)胞30，能夠組成性表達(dá)AraC蛋白和T7 RNA聚合酶，因此阿拉伯糖調(diào)控和IPTG調(diào)控能起作用。

本發(fā)明實(shí)施例提供的細(xì)菌細(xì)胞運(yùn)算器中，各個(gè)細(xì)胞的基因線路原理如下：

如圖3所示，第一細(xì)胞中包括兩條基因線路，作為與門響應(yīng)器。其中一條基因線路中依次對(duì)應(yīng)pBAD啟動(dòng)子、taRNA、結(jié)束位點(diǎn)(term)，另一條基因線路中依次對(duì)應(yīng)T7啟動(dòng)子、crRNA、核糖體結(jié)合位點(diǎn)(ribosomebindingsite，簡稱RBS)、LuxI、term。

阿拉伯糖控制pBAD啟動(dòng)子，IPTG控制T7啟動(dòng)子，只有阿拉伯糖和IPTG同時(shí)存在時(shí)，LuxI基因才能表達(dá)，生成AHL。與門響應(yīng)器采用Riboswitch與門，工作原理可參考《基于Riboswitch的細(xì)胞與門構(gòu)建》，北京大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，第50卷，第3期，2014年5月，411-415。

如圖4所示，第二細(xì)胞中包括一條基因線路，作為信號(hào)分子響應(yīng)器，其基因線路中依次對(duì)應(yīng)Prlux啟動(dòng)子、RBS、RFP、term、Plux啟動(dòng)子、RBS、LuxR、term。

Plux為組成型啟動(dòng)子，表達(dá)LuxR蛋白，LuxR蛋白和AHL結(jié)合后，解除對(duì)Prlux啟動(dòng)子的抑制作用，使得RFP基因表達(dá)，生成紅色熒光蛋白，發(fā)出紅光。

如圖5所示，第三細(xì)胞中包括兩條基因線路，分別作為重組酶響應(yīng)器和或門響應(yīng)器。作為重組酶響應(yīng)器的基因線路中依次對(duì)應(yīng)Prlux啟動(dòng)子、RBS、FLP、term、Plux啟動(dòng)子、RBS、LuxR、term，作為或門響應(yīng)器的基因線路中依次對(duì)應(yīng)FRT位點(diǎn)、pBAD啟動(dòng)子、RBS、GFP、term、T7啟動(dòng)子、RBS、GFP、term、FRT位點(diǎn)(兩位點(diǎn)應(yīng)同向)。

pBAD啟動(dòng)子和T7啟動(dòng)子分別控制一個(gè)GFP基因的表達(dá)，因此，在只有阿拉伯糖或IPTG之一存在的情況下，GFP基因均能夠表達(dá)，均可觀察到綠色熒光。另一方面，Plux為組成型啟動(dòng)子，表達(dá)LuxR蛋白，LuxR蛋白和AHL結(jié)合后，解除對(duì)Prlux啟動(dòng)子的抑制作用，使得DNA定點(diǎn)重組酶FLP表達(dá)，而FLP將刪除兩個(gè)FRT位點(diǎn)之間的片段，導(dǎo)致GFP基因無法表達(dá)，不能觀察到綠色熒光。

本發(fā)明實(shí)施例提供的細(xì)菌細(xì)胞運(yùn)算器中，不同輸入情況下的運(yùn)算過程如下：

①0+0情況，細(xì)菌細(xì)胞運(yùn)算器所在的環(huán)境中不存在阿拉伯糖和IPTG：

第一細(xì)胞中，LuxI基因不表達(dá)，不生成AHL。

第二細(xì)胞中，Plux啟動(dòng)子表達(dá)LuxR基因，生成LuxR蛋白。Prlux啟動(dòng)子被LuxR蛋白抑制不工作，RFP基因不表達(dá)，無紅色熒光，第一輸出為0。

第三細(xì)胞中，Plux啟動(dòng)子表達(dá)LuxR基因，生成LuxR蛋白。Prlux啟動(dòng)子被LuxR蛋白抑制不工作，DNA重組酶FLP基因不表達(dá)。pBAD啟動(dòng)子和T7啟動(dòng)子均不工作，GFP基因不表達(dá)，無綠色熒光，第二輸出為0。

因此，0+0＝00。

②1+0情況，向細(xì)菌細(xì)胞運(yùn)算器所在的環(huán)境中加入阿拉伯糖：

第一細(xì)胞中，LuxI基因不表達(dá)，不生成AHL。

第二細(xì)胞中，Plux啟動(dòng)子表達(dá)LuxR基因，生成LuxR蛋白。Prlux啟動(dòng)子被LuxR蛋白抑制不工作，RFP基因不表達(dá)，無紅色熒光，第一輸出為0。

第三細(xì)胞中，Plux啟動(dòng)子表達(dá)LuxR基因，生成LuxR蛋白。Prlux啟動(dòng)子被LuxR抑制不工作，DNA重組酶FLP基因不表達(dá)。pBAD啟動(dòng)子工作，GFP基因表達(dá)，發(fā)出綠色熒光，第二輸出為1。

因此，1+0＝01。

③0+1情況，向細(xì)菌細(xì)胞運(yùn)算器所在的環(huán)境中加入IPTG：

第一細(xì)胞中，LuxI基因不表達(dá)，不生成AHL。

第二細(xì)胞中，Plux啟動(dòng)子表達(dá)LuxR基因，生成LuxR蛋白。Prlux啟動(dòng)子被LuxR蛋白抑制不工作，RFP基因不表達(dá)，無紅色熒光，第一輸出為0。

第三細(xì)胞中，Plux啟動(dòng)子表達(dá)LuxR基因，生成LuxR蛋白。Prlux啟動(dòng)子被LuxR抑制不工作，DNA定點(diǎn)重組酶FLP基因不表達(dá)。T7啟動(dòng)子工作，GFP基因表達(dá)，發(fā)出綠色熒光，第二輸出為1。

因此，0+1＝01。

④1+1情況，向細(xì)菌細(xì)胞運(yùn)算器所在的環(huán)境中同時(shí)加入阿拉伯糖和IPTG：

第一細(xì)胞中，LuxI基因表達(dá)，生成AHL。

第二細(xì)胞中，LuxR蛋白和AHL結(jié)合，解除對(duì)Prlux啟動(dòng)子的抑制作用，使得RFP基因表達(dá)，發(fā)出紅色熒光，第一輸出為1。

第三細(xì)胞中，LuxR蛋白和AHL結(jié)合，解除對(duì)Prlux啟動(dòng)子的抑制作用，使得DNA重組酶FLP基因表達(dá)。FLP將刪除兩個(gè)FRT位點(diǎn)之間的DNA片段，GFP基因被刪除，無綠色熒光，第二輸出為0。

因此，1+1＝10。

綜上所述，采用本發(fā)明實(shí)施例提供的細(xì)菌細(xì)胞運(yùn)算器，能夠利用阿拉伯糖和IPTG作為輸入物質(zhì)，利用紅色熒光蛋白和綠色熒光蛋白作為輸出物質(zhì)，進(jìn)行二進(jìn)制數(shù)的加法邏輯運(yùn)算，從而實(shí)現(xiàn)了分布式細(xì)胞加法器。

由于細(xì)胞具有的簡單性，細(xì)胞中能引入的元件數(shù)目有限，以啟動(dòng)子數(shù)表征部件規(guī)模的話，一個(gè)細(xì)胞中一般最多只能引進(jìn)4個(gè)啟動(dòng)子，這一限制使得大部分部件缺乏可擴(kuò)充性。而在本發(fā)明實(shí)施中，進(jìn)位細(xì)胞(第二細(xì)胞)中只需引入兩個(gè)啟動(dòng)子，留下了插入其他元件的余地，有利于將該加法器應(yīng)用到其他大型部件中去，因此具有很強(qiáng)的可擴(kuò)充性。

另外，在生物計(jì)算機(jī)的構(gòu)建中，可利用的成熟的元件不多，本發(fā)明實(shí)施利用細(xì)胞封裝策略，實(shí)現(xiàn)了元件復(fù)用(很多元件可在不同細(xì)胞中同時(shí)使用)，節(jié)約了元件種類，因此具備易實(shí)現(xiàn)性。

本發(fā)明的輸入輸出利用了基因的模塊化特性，可根據(jù)需要自由更換，便于應(yīng)用于更復(fù)雜的系統(tǒng)中。

實(shí)施例二：

本發(fā)明實(shí)施例提供一種細(xì)菌細(xì)胞運(yùn)算器，其中構(gòu)成與實(shí)施例一基本相同，其不同點(diǎn)在于：本實(shí)施例中，第三細(xì)胞中的DNA定點(diǎn)重組酶采用Cre重組酶，相應(yīng)的DNA定點(diǎn)重組酶位點(diǎn)采用LoxP位點(diǎn)，或者，兩個(gè)DNA定點(diǎn)重組酶位點(diǎn)分別為Lox71位點(diǎn)和Lox66位點(diǎn)。

如圖6所示，本實(shí)施例的第三細(xì)胞中包括兩條基因線路，分別作為重組酶響應(yīng)器和或門響應(yīng)器。作為重組酶響應(yīng)器的基因線路中依次對(duì)應(yīng)Prlux啟動(dòng)子、RBS、Cre、term、Plux啟動(dòng)子、RBS、LuxR、term，作為或門響應(yīng)器的基因線路中依次對(duì)應(yīng)LoxP位點(diǎn)、pBAD啟動(dòng)子、RBS、GFP、term、T7啟動(dòng)子、RBS、GFP、term、LoxP位點(diǎn)(兩個(gè)位點(diǎn)同向)。

Plux為組成型啟動(dòng)子，表達(dá)LuxR蛋白，LuxR蛋白和AHL結(jié)合后，解除對(duì)Prlux啟動(dòng)子的抑制作用，使得Cre重組酶表達(dá)，而Cre重組酶將刪除兩個(gè)同向LoxP位點(diǎn)之間的片段，導(dǎo)致GFP基因無法表達(dá)，不能觀察到綠色熒光。

此外，LoxP位點(diǎn)也可以替換為Lox71、Lox66位點(diǎn)，均可以與Cre重組酶發(fā)生相同的反應(yīng)，刪除相應(yīng)的DNA片段。

實(shí)施例三：

本發(fā)明實(shí)施例提供一種細(xì)胞計(jì)算機(jī)，包括若干上述實(shí)施例一或?qū)嵤├峁┑募?xì)菌細(xì)胞運(yùn)算器。在該細(xì)胞計(jì)算機(jī)中，上述實(shí)施例提供的分布式細(xì)胞加法器，可以與其他類型的細(xì)胞運(yùn)算器相配合，實(shí)現(xiàn)更為復(fù)雜的運(yùn)算功能。

本發(fā)明實(shí)施例提供的細(xì)胞計(jì)算機(jī)，與上述實(shí)施例提供的細(xì)菌細(xì)胞運(yùn)算器具有相同的技術(shù)特征，所以也能解決相同的技術(shù)問題，達(dá)到相同的技術(shù)效果。

此外，術(shù)語“第一”、“第二”、“第三”僅用于描述目的，而不能理解為指示或暗示相對(duì)重要性。

最后應(yīng)說明的是：以上所述實(shí)施例，僅為本發(fā)明的具體實(shí)施方式，用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案，而非對(duì)其限制，本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，盡管參照前述實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解：任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，其依然可以對(duì)前述實(shí)施例所記載的技術(shù)方案進(jìn)行修改或可輕易想到變化，或者對(duì)其中部分技術(shù)特征進(jìn)行等同替換；而這些修改、變化或者替換，并不使相應(yīng)技術(shù)方案的本質(zhì)脫離本發(fā)明實(shí)施例技術(shù)方案的精神和范圍，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)所述以權(quán)利要求的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。