第8章 想象一下这个

BioBuilder 的图片 该活动强调设计-构建-测试周期的“设计”阶段。图片 这使用了 2004 年国际基因工程机器 (iGEM) 团队开发的系统，该系统改变了大肠杆菌对光的敏感性，使该菌株可用于“细菌摄影”。研究小组将这些细胞改造为既能感光又能产生颜色，并将这些遗传功能相互连接起来（图 8-1）。由这些细胞组成的草坪能够通过充当照相像素来复制打印在掩模上的图像，从而在黑暗中“打开”细胞的颜色生成遗传电路，在光线中“关闭”细胞。

iGEM 团队经过大量的试验和错误以及良好的运气，才成功设计和构建了产生这种摄影行为的复杂遗传电路。未来，当合成生物学家设计出更加复杂的生命系统时，他们将需要依赖其他工程学科可以使用的关键工具：数学和物理建模。当可靠的建模工具可用时，合成生物学家将能够在开始使用实际细胞和 DNA 之前进行计算模拟和实验来测试他们的系统。他们不会通过构建生命系统来启动项目，而是从模型中收集信息来预测细胞的一些行为，这将帮助这些合成生物学家做出设计选择。这些模型可能无法完全代表真实系统的行为方式（毕竟它们只是模型），但它们应该提供一个强大的起点和一个出色的工具来提出以其他方式探索很难或耗时的问题。计算机程序员和数学建模者开发这些模拟工具在合成生物学领域占有重要地位。

图 8-1 细菌摄影系统级设计。细菌摄影系统以光作为输入并产生彩色像素作为输出。

在BioBuilder的图片这个活动中，你可以为细菌摄影系统建立两种模型：计算模型和电子模型。 在实践中，工程师会在构建实际系统之前构建模型，但在这里，我们以相反的顺序工作。通过这种方式，我们可以首先揭示构建模型的一般效用。 正如您将看到的，这两种模型都有优点和缺点，但每种模型都可以提供对遗传系统行为的宝贵见解。在本章中，我们首先考虑不同类型的模型，包括它们的优点和缺点。然后我们更详细地了解 iGEM 团队的细菌摄影系统。

建模简介

建筑师可能需要数月甚至数年的精心规划才能设计一座摩天大楼，使其具有正确的形式和结构健全。在此期间，建筑师的设计过程将包括各种建模方法，其中一些方法有助于可视化建筑物完工后的外观，另一些方法则用于预测建筑物的行为方式。这些模型是一项投资，如果在摩天大楼本身之前建造，可以节省时间和金钱。

您应该使用哪种模型？ 根据项目的性质，建筑师可能会绘制二维蓝图，使用轻木构建三维微型模型，或者运行计算机模拟（图 8-3 ）来测试结构如何应对地震。这些模型中的每一个都有不同的优点。例如，轻木模型可以帮助设计师评估建筑物的美观性，计算机模型可以确认建筑物不会在自然灾害中倒塌。通过使用各种建模技术，可以快速考虑不同的设计选项，直到找到满足建筑师规范和需求的设计选项。这样，建模可以帮助在构建阶段开始之前推动设计过程（图 8-2）。

图 8-2 说明了建模在设计-构建-测试周期中的作用。建模（此处象征性地描绘为左上角的小齿轮）可以帮助推动设计过程。

图 8-3 某些类型的模型。模型可以采用多种不同的形式。使用我们的架构示例，一些有用的模型包括蓝图（左）、三维物理模型（中）和计算模型（右）。

当然，没有任何模型，甚至模型集合，可以完全捕捉最终设计的所有方面。每个使用建模技术的人，无论是建筑师还是合成生物学家，都必须在每个模型的限制范围内工作。在大多数情况下，人们使用不同建模技术的组合来形成关于系统可能如何运行的相对完整的想法。但是，使用更多模型并不会自动生成更好的数据，因为并非所有模型都是好模型。使用不适当的计算模型或构建歪曲系统的物理模型可能会将工作引向错误的方向。了解模型是如何构建的以正确解释其提供的结果至关重要。

计算建模

计算建模（图 8-4）是指使用计算机来模拟特定设计的行为。 为了构建合成生物学的计算模型，工程师输入有关其生物系统各个组件的信息，包括方程当所有组件都放在一个单元中时，计算机可以使用这些算法来计算系统的预期行为。这些方程可能非常接近生物系统的实际行为，但不太可能完美地再现它。例如，许多描述反应速度和程度的方程最初是由在试管中单独研究单个酶的科学家推导出来的，这比细胞的复杂环境要简单得多。在细胞中，多种酶可以竞争相同的反应物，或者一种酶的产物可能抑制另一种酶的活性。事实上，我们还没有完全理解为什么我们的方程不能完全捕捉细胞行为，但我们可以对分子行为做出某些假设来近似不同的条件。例如，该模型可能会简化反应速率，使它们都是恒定的；因此，该模型适用于某些情况，但并非所有情况。

图 8-4 细胞过程的计算建模。可以收集每个相关反应的数据（左）并通过计算机（中）进行整合，以构建细胞行为的工作模型并预测不同化合物的浓度将如何随时间变化（右）。如果模型的输出与设计规范不匹配，则可以适当调整模型或收集更多数据，并且可以根据需要多次重新运行仿真。这样，计算建模是“测试”设计的快速方法。

尽管有其局限性，计算模型还是有用的，因为它们可以快速、精确地求解集成多个过程的方程。该模型的输出可能无法完美地反映自然，但即使模型的缺陷也可以教会我们一些关于我们正在使用的系统的新知识。通过构建计算模型，我们实际上是在测试我们理解的极限，并且可能会发现系统的重要新方面，需要将这些方面纳入模型中以反映可观察到的内容。

计算模型的另一个好处是它们可以模拟复杂系统在暴露于各种条件下时的行为。使用一组起始条件，计算模型可以计算系统状态将如何随时间变化。回到建筑示例，可以使用模拟来确定建筑物如何应对强风。模型的输入可能包括钢材强度、其对温度变化的响应以及该地区的预期风速等因素。建筑师可以对不同的摩天大楼高度、风速（如图 8-5 所示）或建筑材料进行模拟。一个好的计算模型将充分预测不同设计选项的行为，并帮助建筑师确定设计的物理限制。

图 8-5 模拟风对建筑物周围压力的影响。计算模型可以预测在盛行风况（左）和相反风况（右）下压力将如何变化，红色表示高风压，蓝色表示低压。

模型从两个基本来源获取信息：其内置知识库和用户输入的新信息。例如，建筑师的建模软件可能包含有关各种材料如何响应不同温度或风速的信息。这种公共信息已经内置到模型中。使用模型的建筑师可以指定要使用的钢材类型，然后运行模拟（有时称为建模实验），看看它是否足够坚固。如果结果表明钢材不足，则可以轻松运行另一个模拟，输入不同类型钢材的信息。这种方法被称为计算机辅助设计 (CAD)，显然比建造一整座摩天大楼、发现其强度不足以抵御风并被迫重建更高效、更安全。

合成生物学项目也受益于计算建模。研究人员对各种细胞系统进行了建模，根据模型的复杂程度、优缺点，取得了不同程度的成功。正如建筑师的模型包含特定材料如何响应风的内置信息一样，生物系统的计算模型包含有关蛋白质和其他生物分子动态行为的信息。每个组件的信息越具体和准确。系统越好，得到的模型就越好。这就是合成生物学家测量各个部件的行为并开发通过标准化数据表相互共享信息的方法的原因之一，如 iTune 设备一章中所述。由于各个部分可以通过实验得到更好的表征，因此可以将所得信息包含在模型中，以提高其准确性和生物相关性。

建立模型并运行一次（或两次或三次）模拟后，就可以从计算机回到实验室工作台了。 我们可以将“湿实验室”实验的结果与计算模拟的结果进行比较，然后，理想情况下，结果用于进一步完善计算模型。通过计算和实验室工作的组合和迭代方法，尽管各自存在固有的限制和假设，但它们都得到了改进。

物理建模

物理建模是计算建模的补充。例如，建筑师可能会创建一个微型物理结构，以帮助可视化超出计算机模拟所能揭示的建筑项目。对于微观的细胞来说，尚不清楚物理模型可能揭示什么。因此，合成生物学家通常不会建立结构模型来说明他们的生命系统实际上是什么样子。然而，通过生命系统的信息流的物理模型可能是一个好处。

我们可以使用电子元件来实现这一目标，因为它们提供了有形且易于理解的物理模型，可以说明和探索遗传电路的设计和功能。合成生物学家已经将机械和电气工程成熟领域的术语和逻辑原理应用到生命系统的设计过程中，这在生物设计基础章节中进行了探讨。电气元件还为遗传系统的物理建模提供了有用的工具。

生物系统的电气模型有很多好处，其中最引人注目的是电气工程师创建系统原型的速度。工程师可以快速构建和测试电气系统，只需正确连接电线、电阻器和其他电子元件即可。相比之下，建立一个生物系统非常耗时，而且其结果也不太确定。此外，当它不起作用时，故障排除过程可能会非常缓慢。在生物学中，细胞不会给出任何错误消息（除了生长失败！），也没有方便的电压表或其他测量设备来评估系统内各个模块的正常功能。最后，生物模块本身在很大程度上并不是由随处可用且每次都能工作的标准化现成部件制成。因此，不受任何这些并发症影响的电子设备可以提供遗传电路和生物系统的良好有形表示，用于测试和故障排除。这种类型的物理模型可以帮助设计人员更深入地了解他们正在构建的系统，并可能识别其他表示中不明显的问题。

当然，电子模型在某些方面无法充分代表系统的电路。图 8-6 说明了一个限制是电子器件的数字行为——组件要么“开”，要么“关”。 另一方面，生物成分往往以模拟方式表现，具有完全“开启”和完全“关闭”之间的一系列行为。

图 8-6 数字信号与模拟信号。数字信号显示出明显的开/关行为（红色虚线）。低输入不产生任何输出。当输入超过某个阈值时，输出跳至其最大值。另一方面，模拟信号在关闭和打开之间显示出更加渐进的过渡（蓝色实线）。因此，低于数字阈值的输入仍然可以生成一些输出，而高于数字阈值的输入可以生成小于最大值的输出，即使数字和模拟组件的完全“关闭”和完全“打开”值也是相同的。

数字和模拟行为都需要。例如，数字电子行为就像打开或关闭灯泡的电灯开关，而模拟行为就像允许中间亮度的调光开关。鉴于数字电路不易受到输入信号（“噪声”）轻微波动的影响，合成生物学家花费了大量的时间和精力来表征和设计生物系统，使其尽可能“数字化”。 不过，大多数自然系统都是模拟系统，随着输入信号的微小变化，输出会逐渐增加。合成生物学家使用一些巧妙的技术在细胞中实现更多的数字行为，例如构建多层模拟调节并对信号进行分层，以使输出看起来要么打开要么关闭。使用电子元件进行生物电路建模的第二个限制是电子面包板允许电线、电阻器和其他元件的物理分离。然而，在细胞内部，各种成分不断混合，因此单个事件很难隔离和建模。尽管存在缺陷，良好的电子模型可以提供对系统设计和工程细胞行为的深入了解，正如 BioBuilder 的图片此活动所示。

来自“Coliroid”iGEM 项目的灵感

该团队的设计目标乍一看似乎很学术，但实际上识别明暗边界的能力揭示了图像的轮廓。该团队设想的成功的一些积极成果包括改善基因表达的光控制、化学产品的精细空间控制、信号转导途径的合理设计以及有用的细胞间通讯电路。图像处理器（包括面部识别软件等系统）可以通过仅检测边缘来快速处理复杂图像，边缘由可捕获的数据的可管理子集来描述。这一挑战对于一个夏天来说是一项雄心勃勃的挑战，事实上，完整的边缘检测系统又花了几年的研究和开发才能完成。在 2004 年的 iGEM 项目中，由德克萨斯大学奥斯汀分校和加州大学旧金山分校的成员组成的团队构建了一种光检测和颜色生成的大肠杆菌菌株，可用于“然而，该团队在细菌摄影系统方面取得了巨大的进步，即使作为实现更大目标的中间站，其工程生命系统也是我们可以继续探索并从中学习的系统。处理整个图像中的数据会降低软件的速度，因为数据集非常大。细菌摄影。”通过将这种系统构建到细菌草坪中，iGEM 团队并不打算取代人脸识别软件或人工智能程序中的电子边缘检测器。该团队的最初目标是构建边缘检测器的实时版本，这是一种检测对比度的数学图像处理方法。相反，它认为设计这个生命系统是一项艰巨的挑战，如果解决了，可能会推动合成生物学领域的多项基础性工作。

设备级设计

为了构建其系统，该团队决定使用两个设备：一个光检测设备和一个颜色生成设备，如图 8-7 所示。光检测设备旨在检测光的存在或不存在，然后将适当的信号发送到第二个设备。信号的确切性质尚未定义，至少在最初是这样。将系统抽象为两个设备，使团队能够根据出现的系统详细信息以及可用的部件来完善项目。例如，该团队希望在大肠杆菌中构建系统，因为大肠杆菌没有天然存在的光检测装置，因此需要从另一种生物体中识别候选光敏蛋白以用于设计。光检测设备和颜色生成设备之间的通信将取决于该光传感器的身份及其可以生成的信号。同样，颜色生成装置旨在提供可见输出，但最初并未定义具体的颜色或化合物。通过在设备级别进行抽象工作，团队不必遵守其系统的任何特定规范，并且可以考虑多种变体来开始工作。通过在这个抽象级别上工作，可以依次考虑关键决策，而不是立即规划从最具体的 DNA 序列细节到最一般的系统功能的所有方面。

图 8-7 细菌摄影设备级设计。细菌摄影系统将光作为其光探测器的输入。然后，第一设备的输出确定颜色生成器是否处于活动状态并产生其颜色输出。连接两个设备的线路并不意味着 DNA 的物理连接；相反，它显示从一个设备到另一设备的信息流。

零件级设计

当需要根据遗传部分来指定系统的颜色生成装置时，团队决定使用一种经过充分表征的酶，β-半乳糖苷酶 (β-gal)。该酶是 lacZ 基因的产物，通常是 lac 操纵子的几个基因之一。该酶将二糖（乳糖）转化为细胞更容易代谢的两种单糖。该酶还对天然底物以外的多种底物起作用。许多非天然底物的化学结构与乳糖相似，但当酶裂解它们时，它们会产生有色产物。例如，当 β-gal 裂解 X-gal 时，一种产物呈蓝色。当 β-gal 裂解 ONPG（如 BioBuilder iTune 设备活动中所用）时，一种产物呈黄色。在进行细菌摄影系统的部件级设计时，团队选择使用 β-gal 作为颜色生成装置，因为该酶在裂解其底物 S-gal 时可以产生黑色。 β-gal 裂解 S-gal 形成稳定的不溶性沉淀物，沉积到介质中，类似于显影过程中沉积到相纸上的银粒。

合成生物学视觉记者

为了设计细菌摄影系统，iGEM 团队需要肉眼可见的输出，因此选择了 β-gal。原则上，该团队可以从许多替代的颜色生成装置中进行选择，例如荧光蛋白。 β-gal 是一个方便的选择，因为它是一种特性良好且用途广泛的酶，您可能已经从它在 BioBuilder 活动中的重复使用中猜到了。有趣的是，BioBuilder 的 iTune 设备活动也使用 β-gal，但在这种情况下，该酶用于报告基因设计的功效，因此并不严格要求可见的输出。视觉产品，或者更通用的名称，提供了易于检测的输出。它们也很容易相互交换。在大多数情况下，一个报告器可以替换任何其他报告器，根据应用情况进行交换。例如，如果您正在为色盲或视力受损的人设计一个系统，那么基于气味的报告器（例如使用 BioBuilder 的 Eau That Smell 活动的报告器）可能更合适。

对于其细菌摄影系统，团队需要找到一种方法将信号（在本例中为光）的存在或不存在与 β-gal 活性联系起来。对于这种联系，该团队做出了明智的设计选择，并利用了细菌通常用来感知环境信号的共同途径。细菌的信号传感通路统称为两部分信号通路。通常，这些途径的一个组件是环境因素的传感器，另一个组件是响应器。在许多情况下，应答者调节基因或基因家族的转录。在构建细菌摄影系统时，iGEM 团队修改了由名为 EnvZ 的传感器和名为 OmpR 的响应器组成的信号系统（图 8-8）。

图 8-8 打开黑盒设备的包装。为了检测大肠杆菌中的光，iGEM 团队将来自蓝藻的光敏蛋白 Cph1 的一部分与大肠杆菌蛋白的一部分进行基因融合，创造出一种新的蛋白 Cph8（粉色圆圈），它可以磷酸化 OmpR（橙色圆圈）。 Cph8/OmpR 组合可以感应光作为输入，然后生成 PomplacZ 颜色生成设备可以理解的输出信号。

EnvZ 通常通过添加磷酸盐将有关细胞外盐浓度的信息传递给 OmpR。然后，磷酸化的 OmpR 可以结合特定启动子序列上游的 DNA，并增加该启动子下游基因的转录。在自然界中，受磷酸化 OmpR 调节的基因编码膜孔，允许或多或少的盐从环境中进入细胞。 在设计细菌照相系统时，iGEM 团队对 DNA 进行了改造，使磷酸化的 OmpR 能够调节 β-gal 的表达。研究小组只是将 OmpR 调节的启动子置于 lacZ 基因的上游，这样 OmpR 就会像调节膜孔的基因一样调节 lacZ（图 8-9）。

现在您可能会想，“等一下……这种排列不是会响应细胞环境中盐分的变化而产生颜色吗？”目标是感知光。 大肠杆菌中没有天然的光敏蛋白，所以在这里，iGEM团队再次巧妙地利用了一些天然遗传元素。蓝藻是一种对光有反应的微生物，iGEM团队决定修改来自蓝细菌的光传感蛋白，用于报告其大肠杆菌系统中的光输入。该团队进行了基因融合，从光敏蛋白 Cph1 的基因开始，到大肠杆菌 EnvZ 与 OmpR 通讯的部分结束。知道蛋白质将它们所做的工作划分为离散的模块域后，iGEM 团队相信这种融合蛋白能够发挥作用，并且能够像希望的那样感知光并与 OmpR 进行通信。

图 8-9 制作颜色生成装置。 lac 操纵子（顶部）被截短（左下）并用 OmpR 敏感启动子（橙色箭头）进行修饰，以生成对 OmpR 蛋白敏感的颜色生成装置。

为了构建其系统，该团队依靠遗传学和分子生物学（以及大量的努力工作和一定程度的好运），并找到了一种可以完成设计所需的所有功能的变体。该团队将这种融合蛋白命名为 Cph8（图 8-10）。与 Cph1 蛋白一样，Cph8 对特定波长的红光敏感。 然而，为了使其发挥作用，团队需要一些来自蓝细菌的“辅助”发色团，因此系统再次进行了修改。在这个新版本中，研究小组表达了蓝藻基因 ho1 和 pcyA，它们合成了 Cph8 所需的辅助因子。

图 8-10 光敏 Cph8 融合蛋白。来自蓝藻的光敏蛋白 Cph1 与磷酸化 OmpR 的大肠杆菌蛋白 EnvZ 部分融合，产生一种新蛋白 Cph8，它以光作为输入并输出 Pomp 可以理解的信号。 -lacZ颜色发生装置。

当这些最终修饰到位时，当细胞在黑暗中生长时，所得系统可以表达β-gal。红光源抑制 OmpR 的磷酸化，导致 LacZ 的转录减少，从而导致 β-gal 酶的转录减少。通过在打印在透明胶片上并用胶带粘在培养皿上的图像后面生长细胞，可以遮蔽细菌菌苔的区域。在掩模的黑暗部分后面生长的细胞可以使它们周围的介质变黑（图8-11）。暴露在红光下的细胞使介质保持自然颜色，使得掩模上的图像在 24 小时的生长期后能够在介质本身中再现。

图 8-11 通过细菌摄影系统的信息流。光探测器由 Cph8 融合蛋白（粉色圆圈）和细胞的 OmpR 天然副本（橙色圆圈）组成，Cph8 会激活 OmpR。在上图中，激活的 OmpR 然后可以与颜色生成器设备中的 Pomp 运算符（橙色弯曲箭头）结合，从而产生 lacZ 表达（蓝色飞镖）。在下图中，当光线照射到系统上时，OmpR 与 Pomp 的这种相互作用被阻止（平头箭头）。

额外阅读和资源

• Deepak, C.、Bergmann, F.T.、Suaro, H.M. TinkerCell：用于合成生物学的模块化 CAD 工具。生物工程杂志。 2009；3:19。网站：http://www.tinkercell.com/.
• Levskaya，A. 等人。合成生物学：改造大肠杆菌以见光。自然 2005；438(7067):441-2。
• Stock, A.M.、Robinson, V.L.、Goudreau, P.N.二元信号转导。生物化学年度评论 2000；69：183-215。
• 网站：Mouser Electronics 网站上的 BioBuilder“项目”页面，您可以在其中购买每个电子部件。 （http://bit.ly/biobuilder_mouser ）。

描绘这个实验室

BioBuilder 的图片 该实验室通过分析改进的双组分传感系统，介绍了复杂的生物学概念，例如信号转导和细胞动力学。它强调通过对工程细胞进行计算机模拟并通过构建类似于细胞遗传电路的电子电路来进行抽象和建模的工程概念。

设计选择

在这里，我们使用两种方法来理解细菌摄影系统：使用名为 TinkerCell 的程序进行计算建模，以及使用标准电气组件进行物理建模。与其他 BioBuilder 活动相比，该实验室专注于开发实验问题，而不是直接提出问题。这两种互补的建模方法提供了对生命系统行为不同方面的洞察，并说明了我们当前生物学建模工作的优势和缺点。

尽管该活动目前没有“湿实验室”部分，但支持机构可以使用您选择的图像来制作由工程菌株制成的细菌照片。请务必检查 BioBuilder 网站以获取此活动的更新并查找提交指南。下节简要描述了细菌照片显影的方案。

细菌照片

为了准备细菌照片，工程菌株在适当的抗生素存在下生长，这些抗生素选择用于光检测装置、颜色生成装置以及使光传感器 (Cph8) 在大肠杆菌中发挥作用的辅助组件。大肠杆菌。然后，您可以将过夜培养物与熔化的琼脂、抗生素和指示剂化合物 S-gal 混合，并将其倒入培养皿中，将细菌包埋在培养介质中。您可以将带有黑白图像的透明胶片粘贴到培养皿背面，然后在红光下孵育过夜，为细菌在黑暗中生长提供时间以产生 β-gal 酶。由于这种介质的 S-gal 成分非常昂贵（约 600 美元/克），并且曝光这些照片的光波长不是标准的，因此 BioBuilder 教室冲洗照片的最常见方式是发送透明胶片或 .jpg 文件的图像的要开发。

当细胞在明显的光亮或黑暗中生长时，就会产生最引人注目的细菌照片。如果图像的黑白部分高度混合（例如，图像具有非常细的线条），则光线会在边缘周围反射并使生成的照片模糊。一般来说，最好是深色背景和浅色图像，而不是相反。为了使图像的深色部分变暗，通常在两张透明胶片上打印相同的图像，然后将两份副本重叠，使用它们来遮盖培养皿。培养皿的直径小于 3 英寸，因此选择的图像必须小于此直径或进行调整以适合。

TinkerCell 建模

您可以从 TinkerCell 主页下载 TinkerCell。您可以在 TinkerCell 平台中找到构建细菌摄影系统的详细说明以及 BioBuilder 网站上建议的模拟。

TinkerCell 活动分为两个阶段：细菌摄影电路的重绘和其行为的模拟。作为重绘阶段的第一步，您可以从可用部件菜单中选择设备的 DNA 电路组件并将其拖放到建模画布上。在TinkerCell中，这些部分按照其功能进行分类；例如，“激活剂结合位点”、“RBS”、“启动子”、“编码”、“转录因子”或“受体”。以下是细菌摄影系统建模所需的组件列表：

• 颜色发生器装置的组件：
  • 激活剂结合位点
  • ompC 启动子
  • 核糖体结合位点 (RBS)
  • 编码区域
  • β-半乳糖苷酶
• 光检测装置的组件：
  • Cph8 光受体
  • OmpR转录因子
• 三个“小分子”：
  • S-gal
  • 颜色
  • 光
• 1个蜂窝底盘

该模型强调了我们最感兴趣的系统方面，即 β-gal 酶的转录控制。这就是为什么系统的某些元件（例如 OmpR）被作为预先存在的蛋白质而不是转录基因表达盒放入模型中。当然，我们作为蛋白质放入的元素存在转录控制和翻译控制，但这里的模型假设这些步骤可以简化，并且暂时可以忽略对它们的控制。这种简化是抽象的另一个例子，抽象是一种在生物设计基础章节中广泛讨论的工程工具。我们在这里使用抽象来保持计算负载的可控性。

选择进入模型的组件后，下一步是显式定义它们的关系。以下是细菌摄影系统建模组件之间的关系列表：

• Cph8 可以激活或抑制 OmpR 的磷酸化（请注意，根据您的选择，您需要调整光是激活还是抑制 Cph8）。
• 磷酸化的 OmpR 可以与报告基因的激活剂结合位点结合。
• 报告基因可以产生β-gal酶。
• β-gal可以将“S-gal”小分子作为输入，并可以产生“彩色”小分子作为输出。

最后，将底盘添加到画布上。你必须排列现有的组件，使“轻”的小分子位于细胞外，Cph8 蛋白位于细胞膜中，而其他所有成分都位于细胞内（图 8-12）。

TinkerCell 活动的下一阶段是运行系统行为的模拟。由于系统被设计为对光敏感，因此模型的输出将保持不变，除非光输入量发生变化。如果灯光在整个模拟过程中保持打开或关闭状态不变，则模型的输出不会改变。您可以使用 TinkerCell 菜单选项中的阶跃函数指定光输入何时以及如何变化，然后您可以运行模拟以查看系统如何响应不同的光照水平。

图 8-12 TinkerCell 建模界面的屏幕截图。细菌摄影系统的计算模型包含模拟系统在各种条件下的行为所需的所有遗传和生物组件。

TinkerCell 提供称为起始条件的默认值，用于确定模型组件的起始浓度和反应效率。酶效率给出了一个值，RBS 的强度、启动子、激活、抑制以及天然存在的 OmpR 和 S-gal 的量也给出了一个值。运行模拟时，您可以使用默认值，也可以更改它们以查看模型如何预测细胞的响应。例如，如果磷酸化的 OmpR 蛋白多 10 倍怎么办？如果结合 DNA 的磷酸化 OmpR 的量受到限制，则增加会导致更多的 lacZ 转录，从而产生更多的 β-gal 酶。如果酶对 S-gal 产生颜色的催化作用有限，这种变化反过来会增加在有限时间内形成的颜色量。

因此，即使 TinkerCell 对模型的组件做出了许多假设，您也可以调整这些参数来探索系统如何响应。您会发现这些模拟实验比湿实验室版本花费的时间要少得多；因此，如果模型设置得当，它可以节省您在工作台上的很多时间，并且您在那里工作时可以采取明智的实验方法。

电子电路建模

在 Picture This 的物理建模组件中，您将构建细菌摄影菌株的电子版本。回想一下本章前面的建筑示例，计算机辅助设计工具可以帮助建筑师在各种环境条件下评估和测试设计。架构师还可以进行补充形式的建模，即物理模型，以帮助设想设计并识别所需但缺失的组件。对于合成生物学家来说，细胞的物理模型可能不会提供太多附加信息，但说明通过遗传电路的信息流的物理模型可以提供丰富的信息，然后您可以使用它来对电路进行测试预测。随着遗传电路变得越来越复杂，对通过它们的信息流进行建模可能变得异常困难。然而，细菌摄影系统具有相当简单的逻辑，因此我们可以用它来说明物理模型的价值，该模型使用电子元件来“替代”生物模型，如图 8-13 所示。

本章前面第 155 页的“其他阅读材料和资源”部分包含指向 Mouser Electronics 网站上 BioBuilder“项目”页面的链接，您可以在其中找到此活动的电子部件。表 8-1 列出了本 BioBuilder 活动中专门使用的组件。

在电子系统中，开关控制进入电路的电流，因此类似于膜结合光传感器蛋白 (Cph8) 所扮演的角色，它检测光并启动或抑制激酶反应。发光二极管 (LED) 的行为模仿细菌摄影系统的输出，根据电路的“光检测”开关组件的状态打开或关闭。面包板、电线和电阻器传播来自开关的信号并指定系统的逻辑，按下开关时关闭输出，关闭开关时打开输出。该电阻器还对系统的灵敏度进行建模，调节流经系统的信息量。

图 8-13 细菌摄影系统电气模型的示意图。光传感器（左）是光电二极管或开关，相当于光检测装置。可见光输出（右）是 LED（发光二极管），对应于颜色生成设备。多种组件可以连接光检测器和 LED，以模拟细胞内发生的信号传播。

表 8-1 电路元件

电子零件：	生命系统中的相应组件	贸泽电子零件编号
瞬时开关	Cph8光检测系统	611-8551MZQE3
显色LED	β-gal + S-gal显色反应	607-5102H5-12V
电池和卡扣式夹子	为电池提供电力的新陈代谢	9V和534-235
电线和电阻器	信息流的通路和调节	510-WK-3 和 71-CCF0720K0JKE36
面包板	E．大肠杆菌底盘	510-GS-400

在面包板上构建电路 面包板是用于快速制作电子电路原型的平台。您可以将电线插入面包板塑料盖上的孔中，以轻松进行电子连接并测试多种电路配置。但这些孔如何将组件连接在一起呢？面包板有两条轨道，每侧一条，它们是标有红色或蓝色线以及加号或减号的长柱。它还具有按五个一排排列的内部孔。沿侧面的导轨是电路连接电源和电源接地的地方。接地本质上是一种将电流返回到起点的方法，也称为闭合或完成电路（对于北美以外的交流供电系统，您可能会看到术语“接地”代替“接地”）。如果电路不接地，电流就无法流动，电路将无法工作。面包板上的两个导轨在功能上是相同的，因此电路的方向是通过将一个导轨连接到电源、将另一个导轨连接到接地来确定的。

如果您剥开面包板后面的盖子，您会看到位于塑料面包板孔后面的金属条（图 8-14）。金属连接每个导轨的整个长度，因此您可以沿着导轨的任何位置连接电源和接地，然后整个导轨提供电源或接地。更多的金属条也位于每排中的五个孔的后面，因此它们彼此连接，但它们不连接到下一排中的孔或向下延伸的凹槽或沟槽另一侧的孔面包板的中间。任何插入同一排孔中的电子元件都是电气连接的，并且电流可以在它们之间流动（请参见http://bit.ly/building_circuits。）

图 8-14 电子面包板。面包板的塑料顶部（左）和其背板被移除（右）以显示导电金属的配置。左侧的绿色轮廓对应于金属片的方向，如右侧所示，因此反映了电子元件的连接性。

在电子领域，传统上用红色表示正极，用黑色表示负极。电路需要电池等能源，可以通过接线柱连接到面包板。对于此 BioBuilder 活动，面包板通过将 9V 电池引线的红线连接到其中一个红色 (+) 导轨，并将电池引线的黑线连接到面包板另一侧的蓝色 (–) 导轨来供电。木板。

电子建模活动

如果您手头有构建细菌摄影电路的电子元件，您可以尝试以下操作。

首先，通过将 9V 电池的接地连接到面包板的蓝色 (–) 导轨，并将电池的正极连接到面包板另一侧的红色 (+) 导轨，为面包板供电。接下来，使用两根小电线将电源连接到面包板的中心部分（其中有五个孔的行）。最后，将 LED 的红线连接到面包板上与红色导轨相连的孔，并将 LED 的另一根线连接到面包板的接地侧，为 LED 供电。

对于这个简单的电路，拔掉引线是改变系统输出的唯一方法。要构建更容易更改的系统，您可以将 LED 上的地线移至新行，然后将开关连接到接地行和带有 LED 地线的行之间，从而在电路中添加一个开关。这是一个很好的时刻，可以注意到电路元件重新接线是多么容易，以及它们如何可靠地连接以相互通信。这也是注意到我们使用的开关是数字的（它要么完全打开，要么完全关闭）的好时机，因此输出无法“调整”。

为了修改系统的输出，电子电路还包括一个电阻器。尽管该电路仍然表现出类似开关的行为，但您可以通过进一步分离 LED 和开关之间的连接并在它们之间插入一个电阻来改变输出的强度。使用您观察到的行为来思考遗传电路和可能影响每个信息流的点。

在过去教授此活动时，我们注意到一些事情可能会对您第一次尝试此活动有所帮助。当电子设备未按预期运行时，检查是否已按照说明进行所有连接非常有用。大多数情况下，面包板上的电线会被错放。当接线完全正确但电路仍然无法工作时，将零件逐一更换为工作设置会有所帮助。我们曾因电池没电、LED 烧坏和面包板故障而感到沮丧，但您可以通过在故障设置和工作设置之间系统地更换零件来识别和解决每个问题。