Difference between revisions of "Team:Slovenia/ModelLogic"

 
(41 intermediate revisions by 6 users not shown)
Line 46: Line 46:
 
                         <b>CaPTURE</b>
 
                         <b>CaPTURE</b>
 
                     </a>
 
                     </a>
 +
                    <a class="item" href="" style="color:#DB2828;">
 +
                        <i class="selected radio icon"></i>
 +
                        <b>Modeling logic gates</b></a>
 +
                    <a class="item" href="#achieve" style="margin-left: 10%">
 +
                        <i class="selected radio icon"></i>
 +
                        <b>Achievements</b>
 +
                    </a>
 
                     <a class="item" href="#intro" style="margin-left: 10%">
 
                     <a class="item" href="#intro" style="margin-left: 10%">
 
                         <i class="selected radio icon"></i>
 
                         <i class="selected radio icon"></i>
Line 57: Line 64:
 
                         <i class="selected radio icon"></i>
 
                         <i class="selected radio icon"></i>
 
                         <b>Results</b>
 
                         <b>Results</b>
                    </a>
 
                    <a class="item" href="#ref-title" style="margin-left: 10%">
 
                        <i class="selected radio icon"></i>
 
                        <b>References</b>
 
 
                     </a>
 
                     </a>
 
                     <a class="item" href="//2016.igem.org/Team:Slovenia/CoiledCoilInteraction">
 
                     <a class="item" href="//2016.igem.org/Team:Slovenia/CoiledCoilInteraction">
Line 73: Line 76:
 
                 <div class="main ui citing justified container">
 
                 <div class="main ui citing justified container">
 
                     <div>
 
                     <div>
                         <h1><span id="intro" class="section"> &nbsp; </span>Modeling logic gates</h1>
+
                         <h1><span id="achieve" class="section colorize"> &nbsp; </span>Modeling logic gates</h1>
 +
                        <div class="ui segment" style="background-color: #ebc7c7; ">
 +
                            <p><b>
 +
                                <ul>
 +
<li> Fourteen coiled-coil-based logic operations were designed and modeled in order to function <i>in vivo</i>.
 +
                                    <li> Fast response was obtained upon reconstitution of light inducible proteases used as input.
 +
                                </ul>
 +
                            </b></p>
 +
                        </div>
 +
</div>
 
                         <div class="ui segment">
 
                         <div class="ui segment">
 +
<h4><span id="intro" class="section colorize"> &nbsp; </span></h4>
 
                             <p>
 
                             <p>
 
                                 Engineering and designing biological circuits constitute a central core of synthetic
 
                                 Engineering and designing biological circuits constitute a central core of synthetic
Line 91: Line 104:
 
                                 function in mammalian cells</a>. Therefore, here we propose schemes for implementation
 
                                 function in mammalian cells</a>. Therefore, here we propose schemes for implementation
 
                                 of
 
                                 of
                                 all 16
+
                                 all 14 non-trivial
 
                                 two input
 
                                 two input
 
                                 binary logic functions based on a protein-protein interaction (coiled coil) and
 
                                 binary logic functions based on a protein-protein interaction (coiled coil) and
 
                                 proteolysis
 
                                 proteolysis
                                 system in cells. Designed logic gates based on
+
                                 system in cells (<ref>fig:logicfunctions</ref>). Designed logic gates based on
 
                                 protein-protein interaction are
 
                                 protein-protein interaction are
 
                                 expected to have a shorter time delay compared to their analogues based on transcription
 
                                 expected to have a shorter time delay compared to their analogues based on transcription
Line 102: Line 115:
 
                                 .
 
                                 .
 
                             </p>
 
                             </p>
 +
                            <div style="float:left; width:100%">
 +
                                <figure data-ref="fig:logicfunctions">
 +
                                    <img
 +
                                            src="https://static.igem.org/mediawiki/2016/d/d2/T--Slovenia--logic-functions.png">
 +
                                    <figcaption><b>Scheme of all non-trivial two input logic functions.</b>
 +
<p style="text-align:justify">Implementation of all 14 two input non-trivial logic operations
 +
based on the proteolysis and coiled coil displacement. Note that in addition to the previously publishes coiled coil-based protease
 +
sensor  <x-ref>Shekhawat2009</x-ref> we introduce an additional site for the proteolytic cleavage which enables implementation of
 +
all logic functions in a single layer.</p>
 +
                                    </figcaption>
 +
                                </figure>
 +
                            </div>
  
 
                             <p>The main post-translational modification on which signaling and information processing
 
                             <p>The main post-translational modification on which signaling and information processing
Line 146: Line 171:
 
                                 sites:</p>
 
                                 sites:</p>
 
                             <ul>
 
                             <ul>
                                 <li>a) cleavage site between coiled-coils: conjunction, disjunction and both projection
+
                                 <li>a) cleavage site between coiled coils: conjunction, disjunction and both projection
 
                                     functions;
 
                                     functions;
 
                                 </li>
 
                                 </li>
                                 <li>b) cleavage site between the coiled-coil and split protease: logical NAND, logical
+
                                 <li>b) cleavage site between the coiled coil and split protease: logical NAND, logical
 
                                     NOR
 
                                     NOR
 
                                     and
 
                                     and
Line 155: Line 180:
 
                                     negations;
 
                                     negations;
 
                                 </li>
 
                                 </li>
                                 <li>c) cleavage sites between coiled-coils as well as between the coiled-coil and split
+
                                 <li>c) cleavage sites between coiled coils as well as between the coiled coil and split
 
                                     protease
 
                                     protease
 
                                     in
 
                                     in
Line 161: Line 186:
 
                                 </li>
 
                                 </li>
 
                                 <li>
 
                                 <li>
                                     d) cleavage sites between coiled-coils as well as between the coiled-coil and split
+
                                     d) cleavage sites between coiled coils as well as between the coiled coil and split
 
                                     protease
 
                                     protease
 
                                     in
 
                                     in
Line 172: Line 197:
 
                                 <li>e) no cleavage sites: tautology and contradiction.</li>
 
                                 <li>e) no cleavage sites: tautology and contradiction.</li>
 
                             </ul>
 
                             </ul>
                            </p>
 
  
 
                             <p>
 
                             <p>
Line 236: Line 260:
 
                                 . All
 
                                 . All
 
                                 of
 
                                 of
                                 them ignore the leakage due to the binding of the coiled-coils before cleavage, which
+
                                 them ignore the leakage due to the binding of the coiled coils before cleavage, which
 
                                 could
 
                                 could
 
                                 be
 
                                 be
Line 254: Line 278:
 
                                             src="https://static.igem.org/mediawiki/2016/2/20/T--Slovenia--5.5.2.png">
 
                                             src="https://static.igem.org/mediawiki/2016/2/20/T--Slovenia--5.5.2.png">
 
                                     <figcaption><b>Scheme of the modeled function $f_1$.</b>
 
                                     <figcaption><b>Scheme of the modeled function $f_1$.</b>
                                         <p style="text-align:justify">The output is represented with the
+
                                         The output is represented with the
                                            emission of
+
                                        emission of
                                            light induced
+
                                        light induced
                                            by
+
                                        by
                                            reconstitution of the split firefly luciferase reporter.
+
                                        reconstitution of the split firefly luciferase reporter.
                                        </p>
+
 
 
                                     </figcaption>
 
                                     </figcaption>
 
                                 </figure>
 
                                 </figure>
Line 269: Line 293:
 
                                             src="https://static.igem.org/mediawiki/2016/c/c7/T--Slovenia--5.5.3.png">
 
                                             src="https://static.igem.org/mediawiki/2016/c/c7/T--Slovenia--5.5.3.png">
 
                                     <figcaption><b>Scheme of the modeled function $f_2$.</b>
 
                                     <figcaption><b>Scheme of the modeled function $f_2$.</b>
                                         <p style="text-align:justify">The output is represented with the
+
                                         The output is represented with the
                                            emission
+
                                        emission
                                            of light induced
+
                                        of light induced
                                            by
+
                                        by
                                            reconstitution of the split firefly luciferase reporter.
+
                                        reconstitution of the split firefly luciferase reporter.
                                        </p></figcaption>
+
                                    </figcaption>
 
                                 </figure>
 
                                 </figure>
 
                             </div>
 
                             </div>
Line 283: Line 307:
 
                                             src="https://static.igem.org/mediawiki/2016/c/c1/T--Slovenia--5.5.4.png">
 
                                             src="https://static.igem.org/mediawiki/2016/c/c1/T--Slovenia--5.5.4.png">
 
                                     <figcaption><b>Scheme of the modeled function $f_3$.</b>
 
                                     <figcaption><b>Scheme of the modeled function $f_3$.</b>
                                         <p style="text-align:justify">The output is represented with the
+
                                         The output is represented with the
                                            emission
+
                                        emission
                                            of light induced
+
                                        of light induced
                                            by
+
                                        by
                                            reconstitution of the split firefly luciferase reporter.
+
                                        reconstitution of the split firefly luciferase reporter.
                                        </p></figcaption>
+
                                    </figcaption>
 
                                 </figure>
 
                                 </figure>
 
                             </div>
 
                             </div>
Line 296: Line 320:
 
                                             src="https://static.igem.org/mediawiki/2016/5/59/T--Slovenia--5.5.5.png">
 
                                             src="https://static.igem.org/mediawiki/2016/5/59/T--Slovenia--5.5.5.png">
 
                                     <figcaption><b>Scheme of the modeled function $f_4$.</b>
 
                                     <figcaption><b>Scheme of the modeled function $f_4$.</b>
                                         <p style="text-align:justify">The output is represented with the
+
                                         The output is represented with the
                                            emission
+
                                        emission
                                            of light induced
+
                                        of light induced
                                            by
+
                                        by
                                            reconstitution of the split firefly luciferase reporter.
+
                                        reconstitution of the split firefly luciferase reporter.
                                        </p></figcaption>
+
                                    </figcaption>
 
                                 </figure>
 
                                 </figure>
 
                             </div>
 
                             </div>
 
                             <p style="clear:both"></p>
 
                             <p style="clear:both"></p>
 
                         </div>
 
                         </div>
                    </div>
 
                   
 
<div class="ui segment">
 
                        <h3><span id="model" class="section"> &nbsp; </span>Deterministic modeling</h3>
 
                     
 
                            We have established the following ordinary differential equations (ODEs) based model:
 
                            <h4>Projection function $f_1$</h4>
 
                            \begin{align}
 
                            v'(t) =&
 
                            \alpha_2 - \delta_1 * v(t) - \sigma_1 * v(t) * u(t) * l(t) + \sigma_2 * p_1(t), \\
 
                            u'(t) =&
 
                            \alpha_2 - \delta_1 * u(t) - \sigma_1 * v(t) * u(t) * l(t) + \sigma_2 * p_1'(t), \\
 
                            g'(t) =& \alpha_1- \delta_1 * g(t) - \tau * g(t) * p_1(t), \\
 
                            g_1'(t) =& -\delta_1 * g_1(t) + \gamma_2 * g_1g_2(t) +
 
                            \beta_2 * g_1i(t) - \gamma_1 * g_1(t) * g_2(t) - \beta_1 * g_1(t) * i(t), \\
 
                            g_1g_2'(t) =& -\gamma_2 * g_1g_2(t) + \gamma_1 * g_1(t) * g_2(t) +
 
                            \tau * g(t) * p_1(t), \\
 
                            g_1i'(t) =& -\delta_1 * g_1i(t) - \beta_2 * g_1i(t) +
 
                            \beta_1 * g_1(t) * i(t), \\
 
                            g_2'(t) =&
 
                            \gamma_2 * g_1g_2(t) - \delta_1 * g_2(t) - \gamma_1 * g_1(t) * g_2(t), \\
 
                            i'(t) =&
 
                            \alpha_1+ \beta_2 * g_1i(t) - \delta_1 * i(t) - \beta_1 * g_1(t) * i(t),\\
 
                            p_1'(t) =& \sigma_1 * v(t) * u(t) * l(t) - \sigma_2 * p_1(t)
 
                            \end{align}
 
  
                            <h4>Logical NOR $f_2$</h4>
+
                    <div class="ui segment">
                            \begin{align}
+
                        <h3><span id="model" class="section colorize"> &nbsp; </span>Deterministic modeling</h3>
                            c'(t) =&
+
                            \alpha_1- \delta_1 * c(t) + \beta_2 * cd(t) - \beta_1 * c(t) * d(t) -
+
                            \tau * c(t) * p_1(t), \\
+
                            c_1'(t) =& -\delta_1 * c_1(t) + \tau * c(t) * p_1(t) +
+
                            \tau * cd(t) * p_1(t), \\
+
                            c_2'(t) =& -\delta_1 * c_2(t) + \tau * c(t) * p_1(t), \\
+
                            c_2d'(t) =& \tau * cd(t) * p_1(t), \\
+
                            cd'(t) =& -\delta_1 * cd(t) - \beta_2 * cd(t) +
+
                            \beta_1 * c(t) * d(t) - \tau * cd(t) * p_1(t) - \tau * cd(t) * p_2(t), \\
+
                            cd_2'(t) =& \tau * cd(t) * p_2(t), \\
+
                            v'(t) =&
+
                            \alpha_2 - \delta_1 * v(t) - \sigma_1 * v(t) * u(t) * l_1(t) + \sigma_2 * p_1(t), \\
+
                            w'(t) =&
+
                            \alpha_2 - \delta_1 * w(t) - \sigma_1 * w(t) * z(t) * l_2(t)+ \sigma_2 * p_2(t), \\
+
                            u'(t) =&
+
                            \alpha_2 - \delta_1 * u(t) - \sigma_1 * v(t) * u(t) * l_1(t) + \sigma_2 * p_1(t), \\
+
                            z'(t) =&
+
                            \alpha_2 - \delta_1 * z(t) - \sigma_1 * w(t) * z(t) * l_2(t) + \sigma_2 * p_2(t), \\
+
                            d'(t) =& \alpha_1+ \beta_2 * cd(t) - \delta_1 * d(t) - \beta_1 * c(t) * d(t) -
+
                            \tau * d(t) * p_2(t), \\
+
                            d_1'(t) =& -\delta_1 * d_1(t) + \tau * cd(t) * p_2(t) +
+
                            \tau * d(t) * p_2(t), \\
+
                            d_2'(t) =& -\delta_1 * d_2(t) + \tau * d(t) * p_2(t), \\
+
                            p_1'(t) =& \sigma_1 * v(t) * u(t) * l_1(t) - \sigma_2 * p_1(t), \\
+
                            p_2'(t) =& \sigma_1 * w(t) * z(t) * l_2(t) - \sigma_2 * p_2(t)
+
                            \end{align}
+
  
                            <h4>Converse implication $f_3$</h4>
+
                        We have established the following ordinary differential equations (ODEs) based model:
                            \begin{align}
+
                        <h4>Projection function $f_1$</h4>
                            b'(t) =&
+
                        \begin{align}
                            \alpha_1- \delta_1 * b(t) - \beta_1 * b(t) * k_1(t) + \beta_2 * k_1b(t), \\
+
                        v'(t) =&
                            v'(t) =&
+
                        \alpha_2 - \delta_1 * v(t) - \sigma_1 * v(t) * u(t) * l(t) + \sigma_2 * p_1(t), \\
                            \alpha_2 - \delta_1 * v(t) - \sigma_1 * v(t) * u(t) * l_1(t) + \sigma_2 * p_1(t), \\
+
                        u'(t) =&
                            w'(t) =&
+
                        \alpha_2 - \delta_1 * u(t) - \sigma_1 * v(t) * u(t) * l(t) + \sigma_2 * p_1'(t), \\
                            \alpha_2 - \delta_1 * w(t) - \sigma_1 * w(t) * z(t) * l_2(t) + \sigma_2 * p_2(t), \\
+
                        g'(t) =& \alpha_1- \delta_1 * g(t) - \tau * g(t) * p_1(t), \\
                            u'(t) =&
+
                        g_1'(t) =& -\delta_1 * g_1(t) + \gamma_2 * g_1g_2(t) +
                            \alpha_2 - \delta_1 * u(t) - \sigma_1 * v(t) * u(t) * l_1(t) + \sigma_2 * p_1(t), \\
+
                        \beta_2 * g_1i(t) - \gamma_1 * g_1(t) * g_2(t) - \beta_1 * g_1(t) * i(t), \\
                            z'(t) =&
+
                        g_1g_2'(t) =& -\gamma_2 * g_1g_2(t) + \gamma_1 * g_1(t) * g_2(t) +
                            \alpha_2 - \delta_1 * z(t) - \sigma_1 * w(t) * z(t) * l_2(t) + \sigma_2 * p_2(t), \\
+
                        \tau * g(t) * p_1(t), \\
                            k'(t) =& \alpha_1- \delta_1 * k(t) - \tau * k(t) * p_1(t) - \tau * k(t) * p_2(t), \\
+
                        g_1i'(t) =& -\delta_1 * g_1i(t) - \beta_2 * g_1i(t) +
                            k_1'(t) =& -\delta_1 * k_1(t) - \beta_1 * b(t) * k_1(t) + \gamma_2 * k_{12}(t) + \\
+
                        \beta_1 * g_1(t) * i(t), \\
                            & \gamma_2 * k_{123}(t) + \beta_2 * k_1b(t) - \gamma_1 * k_1(t) * k_2(t) -
+
                        g_2'(t) =&
                            \gamma_1 * k_1(t) * k_{23}(t) \\
+
                        \gamma_2 * g_1g_2(t) - \delta_1 * g_2(t) - \gamma_1 * g_1(t) * g_2(t), \\
                            &+ \tau * k(t) * p_1(t) + \tau * k_1k_2(t) * p_1(t), \\
+
                        i'(t) =&
                            k_{12}'(t) =& -\delta_1 * k_{12}(t) - \gamma_2 * k_{12}(t) +
+
                        \alpha_1+ \beta_2 * g_1i(t) - \delta_1 * i(t) - \beta_1 * g_1(t) * i(t),\\
                            \gamma_1 * k_1(t) * k_2(t), \\
+
                        p_1'(t) =& \sigma_1 * v(t) * u(t) * l(t) - \sigma_2 * p_1(t)
                            k_{123}'(t) =& -\gamma_2 * k_{123}(t) + \gamma_1 * k_1(t) * k_{23}(t), \\
+
                        \end{align}
                            k_1b'(t) =&
+
                            \beta_1 * b(t) * k_1(t) - \delta_1 * k_1b(t) - \beta_2 * k_1b(t), \\
+
                            k_1k_2'(t) =& -\tau * k_1k_2(t) * p_1(t) + \tau * k(t) * p_2(t), \\
+
                            k_2'(t) =&
+
                            \gamma_2 * k_{12}(t) - \delta_1 * k_2(t) - \gamma_1 * k_1(t) * k_2(t) +
+
                            \tau * k_1k_2(t) * p_1(t) + \tau * k_{23}(t) * p_2(t), \\
+
                            k_{23}'(t) =&
+
                            \gamma_2 * k_{123}(t) - \delta_1 * k_{23}(t) - \gamma_1 * k_1(t) * k_{23}(t) +
+
                            \tau * k(t) * p_1(t) - \tau * k_{23}(t) * p_2(t), \\
+
                            k_3'(t) =& -\delta_1 * k_3(t) + \tau * k(t) * p_2(t) +
+
                            \tau * k_{23}(t) * p_2(t), \\
+
                            p_1'(t) =& \sigma_1 * v(t) * u(t) * l_1(t) - \sigma_2 * p_1(t), \\
+
                            p_2'(t) =& \sigma_1 * w(t) * z(t) * l_2(t) - \sigma_2 * p_2(t)
+
                            \end{align}
+
  
                            <h4>Mathematical nonimplication $f_4$</h4>
+
                        <h4>Logical NOR $f_2$</h4>
                            \begin{align}
+
                        \begin{align}
                            v'(t) =&
+
                        c'(t) =&
                            \alpha_2 - \delta_1 * v(t) - \sigma_1 * v(t) * u(t) * l_1(t) + \sigma_2 * p_1(t), \\
+
                        \alpha_1- \delta_1 * c(t) + \beta_2 * cd(t) - \beta_1 * c(t) * d(t) -
                            w'(t) =&
+
                        \tau * c(t) * p_1(t), \\
                            \alpha_2 - \delta_1 * w(t) - \sigma_1 * w(t) * z(t) * l_2(t) + \sigma_2 * p_2(t), \\
+
                        c_1'(t) =& -\delta_1 * c_1(t) + \tau * c(t) * p_1(t) +
                            u'(t) =&
+
                        \tau * cd(t) * p_1(t), \\
                            \alpha_2 - \delta_1 * u(t) - \sigma_1 * v(t) * u(t) * l_1(t) + \sigma_2 * p_1(t), \\
+
                        c_2'(t) =& -\delta_1 * c_2(t) + \tau * c(t) * p_1(t), \\
                            z'(t) =&
+
                        c_2d'(t) =& \tau * cd(t) * p_1(t), \\
                            \alpha_2 - \delta_1 * z(t) - \sigma_1 * w(t) * z(t) * l_2(t) + \sigma_2 * p_2(t), \\
+
                        cd'(t) =& -\delta_1 * cd(t) - \beta_2 * cd(t) +
                            d'(t) =&
+
                        \beta_1 * c(t) * d(t) - \tau * cd(t) * p_1(t) - \tau * cd(t) * p_2(t), \\
                            \alpha_1- \delta_1 * d(t) - \beta_1 * d(t) * g_1(t) + \beta_2 * g_1d(t) -
+
                        cd_2'(t) =& \tau * cd(t) * p_2(t), \\
                            \tau * d(t) * p_2(t), \\
+
                        v'(t) =&
                            d_1'(t) =& -\delta_1 * d_1(t) - \gamma_1 * d_1(t) * g_1(t) +
+
                        \alpha_2 - \delta_1 * v(t) - \sigma_1 * v(t) * u(t) * l_1(t) + \sigma_2 * p_1(t), \\
                            \gamma_2 * g_1d_1(t) + \tau * d(t) * p_2(t), \\
+
                        w'(t) =&
                            d_2'(t) =& -\delta_1 * d_2(t) + \tau * d(t) * p_2(t) +
+
                        \alpha_2 - \delta_1 * w(t) - \sigma_1 * w(t) * z(t) * l_2(t)+ \sigma_2 * p_2(t), \\
                            \tau * g_1d(t) * p_2(t), \\
+
                        u'(t) =&
                            g'(t) =& \alpha_1- \delta_1 * g(t) - \tau * g(t) * p_1(t), \\
+
                        \alpha_2 - \delta_1 * u(t) - \sigma_1 * v(t) * u(t) * l_1(t) + \sigma_2 * p_1(t), \\
                            g_1'(t) =& -\delta_1 * g_1(t) - \beta_1 * d(t) * g_1(t) - \gamma_1 * d_1(t) * g_1(t) \\
+
                        z'(t) =&
                            & + \beta_2 * g_1d(t) + \gamma_2 * g_1d_1(t) +
+
                        \alpha_2 - \delta_1 * z(t) - \sigma_1 * w(t) * z(t) * l_2(t) + \sigma_2 * p_2(t), \\
                            \gamma_2 * g_1g_2(t) - \gamma_1 * g_1(t) * g_2(t), \\
+
                        d'(t) =& \alpha_1+ \beta_2 * cd(t) - \delta_1 * d(t) - \beta_1 * c(t) * d(t) -
                            g_1d'(t) =&
+
                        \tau * d(t) * p_2(t), \\
                            \beta_1 * d(t) * g_1(t) - \delta_1 * g_1d(t) - \beta_2 * g_1d(t) -
+
                        d_1'(t) =& -\delta_1 * d_1(t) + \tau * cd(t) * p_2(t) +
                            \tau * g_1d(t) * p_2(t), \\
+
                        \tau * d(t) * p_2(t), \\
                            g_1d_1'(t) =&
+
                        d_2'(t) =& -\delta_1 * d_2(t) + \tau * d(t) * p_2(t), \\
                            \gamma_1 * d_1(t) * g_1(t) - \gamma_2 * g_1d_1(t) + \tau * g_1d(t) * p_2(t), \\
+
                        p_1'(t) =& \sigma_1 * v(t) * u(t) * l_1(t) - \sigma_2 * p_1(t), \\
                            g_1g_2'(t) =& -\gamma_2 * g_1g_2(t) + \gamma_1 * g_1(t) * g_2(t) +
+
                        p_2'(t) =& \sigma_1 * w(t) * z(t) * l_2(t) - \sigma_2 * p_2(t)
                            \tau * g(t) * p_1(t), \\
+
                        \end{align}
                            g_2'(t) =&
+
                            \gamma_2 * g_1g_2(t) - \delta_1 * g_2(t) - \gamma_1 * g_1(t) * g_2(t), \\
+
                            p_1'(t) =& \sigma_1 * v(t) * u(t) * l_1(t) - \sigma_2 * p_1(t), \\
+
                            p_2'(t) =& \sigma_1 * w(t) * z(t) * l_2(t) - \sigma_2 * p_2(t)
+
                            \end{align}
+
  
                            <p>
+
                        <h4>Converse implication $f_3$</h4>
                                The function of light presence, denoted with $l(t)$, $l_1(t)$ or $l_2(t)$, is a
+
                        \begin{align}
                                piecewise
+
                        b'(t) =&
                                function which equals 1 if the light is present and 0 otherwise. Functions $p_1$, $p_2$,
+
                        \alpha_1- \delta_1 * b(t) - \beta_1 * b(t) * k_1(t) + \beta_2 * k_1b(t), \\
                                $g$,
+
                        v'(t) =&
                                $g_1$,
+
                        \alpha_2 - \delta_1 * v(t) - \sigma_1 * v(t) * u(t) * l_1(t) + \sigma_2 * p_1(t), \\
                                $g_1d$, $g_1d_1$, $g_1g_2$, $g_1i$, $g_2$, $c$, $c_1$, $c_2$, $c_2d$, $cd$, $cd_2$, $w$,
+
                        w'(t) =&
                                $z$,
+
                        \alpha_2 - \delta_1 * w(t) - \sigma_1 * w(t) * z(t) * l_2(t) + \sigma_2 * p_2(t), \\
                                $d$, $d_1$, $d_2$, $k$, $k_1$, $k_{12}$,
+
                        u'(t) =&
                                $k_{123}$, $k_1b$, $k_1k_2$, $k_2$, $k_{23}$, $k_3$, $i$, $b$, $k$, $v$, $u$, $w$, $z$
+
                        \alpha_2 - \delta_1 * u(t) - \sigma_1 * v(t) * u(t) * l_1(t) + \sigma_2 * p_1(t), \\
                                present
+
                        z'(t) =&
                                concentrations of the
+
                        \alpha_2 - \delta_1 * z(t) - \sigma_1 * w(t) * z(t) * l_2(t) + \sigma_2 * p_2(t), \\
                                equally labelled proteins. The constants used for the model are described in
+
                        k'(t) =& \alpha_1- \delta_1 * k(t) - \tau * k(t) * p_1(t) - \tau * k(t) * p_2(t), \\
                                <ref>tab:refs</ref>
+
                        k_1'(t) =& -\delta_1 * k_1(t) - \beta_1 * b(t) * k_1(t) + \gamma_2 * k_{12}(t) + \\
                                .
+
                        & \gamma_2 * k_{123}(t) + \beta_2 * k_1b(t) - \gamma_1 * k_1(t) * k_2(t) -
                            </p>
+
                        \gamma_1 * k_1(t) * k_{23}(t) \\
                            <table class="ui collapsing unstackable celled table" data-ref="tab:refs">
+
                        &+ \tau * k(t) * p_1(t) + \tau * k_1k_2(t) * p_1(t), \\
                                <thead class="full-width">
+
                        k_{12}'(t) =& -\delta_1 * k_{12}(t) - \gamma_2 * k_{12}(t) +
                                <tr class="center aligned">
+
                        \gamma_1 * k_1(t) * k_2(t), \\
                                    <th> Description</th>
+
                        k_{123}'(t) =& -\gamma_2 * k_{123}(t) + \gamma_1 * k_1(t) * k_{23}(t), \\
                                    <th> Name</th>
+
                        k_1b'(t) =&
                                    <th> Rate</th>
+
                        \beta_1 * b(t) * k_1(t) - \delta_1 * k_1b(t) - \beta_2 * k_1b(t), \\
                                    <th> Reference</th>
+
                        k_1k_2'(t) =& -\tau * k_1k_2(t) * p_1(t) + \tau * k(t) * p_2(t), \\
                                </tr>
+
                        k_2'(t) =&
                                </thead>
+
                        \gamma_2 * k_{12}(t) - \delta_1 * k_2(t) - \gamma_1 * k_1(t) * k_2(t) +
                                <tbody>
+
                        \tau * k_1k_2(t) * p_1(t) + \tau * k_{23}(t) * p_2(t), \\
                                <tr>
+
                        k_{23}'(t) =&
                                    <td>protein production rate</td>
+
                        \gamma_2 * k_{123}(t) - \delta_1 * k_{23}(t) - \gamma_1 * k_1(t) * k_{23}(t) +
                                    <td>$\alpha$</td>
+
                        \tau * k(t) * p_1(t) - \tau * k_{23}(t) * p_2(t), \\
                                    <td>3.5 * 20$^{-2}$ nMs$^{-1}$</td>
+
                        k_3'(t) =& -\delta_1 * k_3(t) + \tau * k(t) * p_2(t) +
                                    <td>
+
                        \tau * k_{23}(t) * p_2(t), \\
                                        <x-ref>Mariani:2010, Alon:2006</x-ref>
+
                        p_1'(t) =& \sigma_1 * v(t) * u(t) * l_1(t) - \sigma_2 * p_1(t), \\
                                    </td>
+
                        p_2'(t) =& \sigma_1 * w(t) * z(t) * l_2(t) - \sigma_2 * p_2(t)
                                </tr>
+
                        \end{align}
                                <tr>
+
 
                                    <td>light inducible split protease production rate</td>
+
                        <h4>Mathematical nonimplication $f_4$</h4>
                                    <td>$\alpha_2$</td>
+
                        \begin{align}
                                    <td>7 * 10$^{-1}$ nMs$^{-1}$</td>
+
                        v'(t) =&
                                    <td>protein:protease DNA ratio is
+
                        \alpha_2 - \delta_1 * v(t) - \sigma_1 * v(t) * u(t) * l_1(t) + \sigma_2 * p_1(t), \\
                                        1:20
+
                        w'(t) =&
                                    </td>
+
                        \alpha_2 - \delta_1 * w(t) - \sigma_1 * w(t) * z(t) * l_2(t) + \sigma_2 * p_2(t), \\
                                </tr>
+
                        u'(t) =&
                                <tr>
+
                        \alpha_2 - \delta_1 * u(t) - \sigma_1 * v(t) * u(t) * l_1(t) + \sigma_2 * p_1(t), \\
                                    <td>protein degradation rate</td>
+
                        z'(t) =&
                                    <td>$\delta_1$</td>
+
                        \alpha_2 - \delta_1 * z(t) - \sigma_1 * w(t) * z(t) * l_2(t) + \sigma_2 * p_2(t), \\
                                    <td>Log[2] / (3600 * 9) $s^{-1}$</td>
+
                        d'(t) =&
                                    <td>
+
                        \alpha_1- \delta_1 * d(t) - \beta_1 * d(t) * g_1(t) + \beta_2 * g_1d(t) -
                                        <x-ref>Eden:2011</x-ref>
+
                        \tau * d(t) * p_2(t), \\
                                    </td>
+
                        d_1'(t) =& -\delta_1 * d_1(t) - \gamma_1 * d_1(t) * g_1(t) +
                                </tr>
+
                        \gamma_2 * g_1d_1(t) + \tau * d(t) * p_2(t), \\
                                <tr>
+
                        d_2'(t) =& -\delta_1 * d_2(t) + \tau * d(t) * p_2(t) +
                                    <td>light inducible split protease dissociation rate</td>
+
                        \tau * g_1d(t) * p_2(t), \\
                                    <td> $\sigma_2$</td>
+
                        g'(t) =& \alpha_1- \delta_1 * g(t) - \tau * g(t) * p_1(t), \\
                                    <td>Log[2] / (60 * 5.5) s$^{-1}$</td>
+
                        g_1'(t) =& -\delta_1 * g_1(t) - \beta_1 * d(t) * g_1(t) - \gamma_1 * d_1(t) * g_1(t) \\
                                    <td>
+
                        & + \beta_2 * g_1d(t) + \gamma_2 * g_1d_1(t) +
                                        <x-ref>Taslimi:2016</x-ref>
+
                        \gamma_2 * g_1g_2(t) - \gamma_1 * g_1(t) * g_2(t), \\
                                    </td>
+
                        g_1d'(t) =&
                                </tr>
+
                        \beta_1 * d(t) * g_1(t) - \delta_1 * g_1d(t) - \beta_2 * g_1d(t) -
                                <tr>
+
                        \tau * g_1d(t) * p_2(t), \\
                                    <td>light inducible split protease association rate</td>
+
                        g_1d_1'(t) =&
                                    <td> $\sigma_1$</td>
+
                        \gamma_1 * d_1(t) * g_1(t) - \gamma_2 * g_1d_1(t) + \tau * g_1d(t) * p_2(t), \\
                                    <td>1 nM$^{-1}$ s$^{-1}$</td>
+
                        g_1g_2'(t) =& -\gamma_2 * g_1g_2(t) + \gamma_1 * g_1(t) * g_2(t) +
                                    <td>
+
                        \tau * g(t) * p_1(t), \\
                                        <x-ref>Alon:2006</x-ref>
+
                        g_2'(t) =&
                                    </td>
+
                        \gamma_2 * g_1g_2(t) - \delta_1 * g_2(t) - \gamma_1 * g_1(t) * g_2(t), \\
                                </tr>
+
                        p_1'(t) =& \sigma_1 * v(t) * u(t) * l_1(t) - \sigma_2 * p_1(t), \\
                                <tr>
+
                        p_2'(t) =& \sigma_1 * w(t) * z(t) * l_2(t) - \sigma_2 * p_2(t)
                                    <td>protease cleavage rate</td>
+
                        \end{align}
                                    <td> $\tau$</td>
+
 
                                    <td>1.2 * 10$^-6$ nM$^-1$ s$^{-1}$</td>
+
                        <p>
                                    <td>
+
                            The function of light presence, denoted with $l(t)$, $l_1(t)$ or $l_2(t)$, is a
                                        <x-ref>Yi:2013</x-ref>
+
                            piecewise
                                    </td>
+
                            function which equals 1 if the light is present and 0 otherwise. Functions $p_1$, $p_2$,
                                </tr>
+
                            $g$,
                                <tr>
+
                            $g_1$,
                                    <td>stronger coiled coils association rate</td>
+
                            $g_1d$, $g_1d_1$, $g_1g_2$, $g_1i$, $g_2$, $c$, $c_1$, $c_2$, $c_2d$, $cd$, $cd_2$, $w$,
                                    <td> $\beta_1$</td>
+
                            $z$,
                                    <td>3.17 * 10$^{-3}$ nM$^{-1}$ s$^{-1}$</td>
+
                            $d$, $d_1$, $d_2$, $k$, $k_1$, $k_{12}$,
                                    <td>
+
                            $k_{123}$, $k_1b$, $k_1k_2$, $k_2$, $k_{23}$, $k_3$, $i$, $b$, $k$, $v$, $u$, $w$, $z$
                                        <x-ref>DeCrescenzo:2003</x-ref>
+
                            present
                                    </td>
+
                            concentrations of the
                                </tr>
+
                            equally labelled proteins. The constants used for the model are described in
                                <tr>
+
                            <ref>tab:refs</ref>
                                    <td>stronger coiled coils dissociation rate</td>
+
                                    <td> $\beta_2$</td>
+
                                    <td>2 * 10$^{-4}$ s$^{-1}$</td>
+
                                    <td>
+
                                        <x-ref>DeCrescenzo:2003</x-ref>
+
                                    </td>
+
                                </tr>
+
                                <tr>
+
                                    <td>weaker coiled coils association rate</td>
+
                                    <td> $\gamma_1$</td>
+
                                    <td>7.3 * 10$^{-6}$ nM$^{-1}$ s$^{-1}$</td>
+
                                    <td>
+
                                        <x-ref>DeCrescenzo:2003</x-ref>
+
                                    </td>
+
                                </tr>
+
                                <tr>
+
                                    <td>weaker coiled coils dissociation rate</td>
+
                                    <td> $\gamma_2$</td>
+
                                    <td>1.67 * 10$^{-1}$ s$^{-1}$</td>
+
                                    <td>
+
                                        <x-ref>DeCrescenzo:2003</x-ref>
+
                                    </td>
+
                                </tr>
+
                                <tr>
+
                                    <td>time of light exposure</td>
+
                                    <td> /</td>
+
                                    <td>60 s</td>
+
                                    <td>
+
                                        estimated from experimental results
+
                                    </td>
+
                                </tr>
+
                                </tbody>
+
                            </table>
+
                       
+
                    </div>
+
                    <h1><span id="results" class="section"> &nbsp; </span>Results</h1>
+
                    <div class="ui segment">
+
                        <p>We simulated the dynamics of established logic gates with the numerical integration of their
+
                            mathematical models
+
                            described in the previous paragraphs. The results of our simulations are shown in
+
                            <ref>fig:buffer</ref>
+
                            ,
+
                            <ref>fig:nor</ref>
+
                            ,
+
                            <ref>fig:imply</ref>
+
                            and
+
                            <ref>fig:nimply</ref>
+
 
                             .
 
                             .
                            They confirm our
 
                            assumption that all four types of logic functions offer shorter delay compared to their
 
                            equivalents based on
 
                            genetic
 
                            regulatory networks. The rise and fall times of our gates are simulated to be at around 70
 
                            seconds compared to
 
                            hours
 
                            that transcription regulation circuits usually require.
 
 
                         </p>
 
                         </p>
 +
                        <table class="ui collapsing unstackable celled table" data-ref="tab:refs">
 +
                            <thead class="full-width">
 +
                            <tr class="center aligned">
 +
                                <th> Description</th>
 +
                                <th> Name</th>
 +
                                <th> Rate</th>
 +
                                <th> Reference</th>
 +
                            </tr>
 +
                            </thead>
 +
                            <tbody>
 +
                            <tr>
 +
                                <td>protein production rate</td>
 +
                                <td>$\alpha$</td>
 +
                                <td>3.5 * 20$^{-2}$ nMs$^{-1}$</td>
 +
                                <td>
 +
                                    <x-ref>Mariani:2010, Alon:2006</x-ref>
 +
                                </td>
 +
                            </tr>
 +
                            <tr>
 +
                                <td>light inducible split protease production rate</td>
 +
                                <td>$\alpha_2$</td>
 +
                                <td>7 * 10$^{-1}$ nMs$^{-1}$</td>
 +
                                <td>protein:protease DNA ratio is
 +
                                    1:20
 +
                                </td>
 +
                            </tr>
 +
                            <tr>
 +
                                <td>protein degradation rate</td>
 +
                                <td>$\delta_1$</td>
 +
                                <td>Log[2] / (3600 * 9) $s^{-1}$</td>
 +
                                <td>
 +
                                    <x-ref>Eden:2011</x-ref>
 +
                                </td>
 +
                            </tr>
 +
                            <tr>
 +
                                <td>light inducible split protease dissociation rate</td>
 +
                                <td> $\sigma_2$</td>
 +
                                <td>Log[2] / (60 * 5.5) s$^{-1}$</td>
 +
                                <td>
 +
                                    <x-ref>Taslimi:2016</x-ref>
 +
                                </td>
 +
                            </tr>
 +
                            <tr>
 +
                                <td>light inducible split protease association rate</td>
 +
                                <td> $\sigma_1$</td>
 +
                                <td>1 nM$^{-1}$ s$^{-1}$</td>
 +
                                <td>
 +
                                    <x-ref>Alon:2006</x-ref>
 +
                                </td>
 +
                            </tr>
 +
                            <tr>
 +
                                <td>protease cleavage rate</td>
 +
                                <td> $\tau$</td>
 +
                                <td>1.2 * 10$^-6$ nM$^-1$ s$^{-1}$</td>
 +
                                <td>
 +
                                    <x-ref>Yi:2013</x-ref>
 +
                                </td>
 +
                            </tr>
 +
                            <tr>
 +
                                <td>stronger coiled coils association rate</td>
 +
                                <td> $\beta_1$</td>
 +
                                <td>3.17 * 10$^{-3}$ nM$^{-1}$ s$^{-1}$</td>
 +
                                <td>
 +
                                    <x-ref>DeCrescenzo:2003</x-ref>
 +
                                </td>
 +
                            </tr>
 +
                            <tr>
 +
                                <td>stronger coiled coils dissociation rate</td>
 +
                                <td> $\beta_2$</td>
 +
                                <td>2 * 10$^{-4}$ s$^{-1}$</td>
 +
                                <td>
 +
                                    <x-ref>DeCrescenzo:2003</x-ref>
 +
                                </td>
 +
                            </tr>
 +
                            <tr>
 +
                                <td>weaker coiled coils association rate</td>
 +
                                <td> $\gamma_1$</td>
 +
                                <td>7.3 * 10$^{-6}$ nM$^{-1}$ s$^{-1}$</td>
 +
                                <td>
 +
                                    <x-ref>DeCrescenzo:2003</x-ref>
 +
                                </td>
 +
                            </tr>
 +
                            <tr>
 +
                                <td>weaker coiled coils dissociation rate</td>
 +
                                <td> $\gamma_2$</td>
 +
                                <td>1.67 * 10$^{-1}$ s$^{-1}$</td>
 +
                                <td>
 +
                                    <x-ref>DeCrescenzo:2003</x-ref>
 +
                                </td>
 +
                            </tr>
 +
                            <tr>
 +
                                <td>time of light exposure</td>
 +
                                <td> /</td>
 +
                                <td>60 s</td>
 +
                                <td>
 +
                                    estimated from experimental results
 +
                                </td>
 +
                            </tr>
 +
                            </tbody>
 +
                        </table>
 +
                    </div>
 +
                    <div>
 +
                        <h1><span id="results" class="section colorize"> &nbsp; </span>Results</h1>
 +
                        <div class="ui segment">
 +
                            <p>We simulated the dynamics of established logic gates with the numerical integration of
 +
                                their
 +
                                mathematical models
 +
                                described in the previous paragraphs. The results of our simulations are shown in
 +
                                <ref>fig:buffer</ref>
 +
                                ,
 +
                                <ref>fig:nor</ref>
 +
                                ,
 +
                                <ref>fig:imply</ref>
 +
                                and
 +
                                <ref>fig:nimply</ref>
 +
                                .
 +
                                They confirm our
 +
                                assumption that all four types of logic functions offer shorter delay compared to their
 +
                                equivalents based on
 +
                                genetic
 +
                                regulatory networks. The rise and fall times of our gates are simulated to be at around
 +
                                70
 +
                                seconds compared to
 +
                                hours
 +
                                that transcription regulation circuits usually require.
 +
                            </p>
  
                        <div style="float:left; width:100%">
+
                            <div style="float:left; width:100%">
                            <figure data-ref="fig:buffer">
+
                                <figure data-ref="fig:buffer">
                                <img class="ui huge centered image"
+
                                    <img class="ui huge centered image"
                                    src="https://static.igem.org/mediawiki/2016/7/7a/T--Slovenia--5.5.6.png">
+
                                        src="https://static.igem.org/mediawiki/2016/7/7a/T--Slovenia--5.5.6.png">
                                <figcaption><b>$x_1$.</b>
+
                                    <figcaption><b>$x_1$.</b>
                                    <p style="text-align:justify">The output concentration of the logical function $x_1$
+
                                        The output concentration of the logical function $x_1$
 
                                         is shown
 
                                         is shown
 
                                         with
 
                                         with
Line 583: Line 608:
 
                                         in the
 
                                         in the
 
                                         following order 0, 1.
 
                                         following order 0, 1.
                                     </p></figcaption>
+
                                     </figcaption>
                            </figure>
+
                                </figure>
                        </div>
+
                            </div>
  
                        <div style="float:left; width:100%">
+
                            <div style="float:left; width:100%">
                            <figure data-ref="fig:nor">
+
                                <figure data-ref="fig:nor">
                                <img
+
                                    <img
                                        src="https://static.igem.org/mediawiki/2016/2/27/T--Slovenia--5.5.7.png">
+
                                            src="https://static.igem.org/mediawiki/2016/2/27/T--Slovenia--5.5.7.png">
                                <figcaption><b>$x_1$ NOR $x_2$.</b>
+
                                    <figcaption><b>$x_1$ NOR $x_2$.</b>
                                    <p style="text-align:justify">The output concentration of the logical function $x_1$
+
                                        The output concentration of the logical function $x_1$
 
                                         NOR
 
                                         NOR
 
                                         $x_2$ is shown
 
                                         $x_2$ is shown
Line 599: Line 624:
 
                                         four
 
                                         four
 
                                         possible inputs in the following order (0,0), (0,1), (1,0), (1,1).
 
                                         possible inputs in the following order (0,0), (0,1), (1,0), (1,1).
                                     </p></figcaption>
+
                                     </figcaption>
                            </figure>
+
                                </figure>
                        </div>
+
                            </div>
  
                        <div style="float:left; width:100%">
+
                            <div style="float:left; width:100%">
                            <figure data-ref="fig:imply">
+
                                <figure data-ref="fig:imply">
                                <img
+
                                    <img
                                        src="https://static.igem.org/mediawiki/2016/0/06/T--Slovenia--5.5.8.png">
+
                                            src="https://static.igem.org/mediawiki/2016/0/06/T--Slovenia--5.5.8.png">
                                <figcaption><b>$x_2$ imply $x_1$.</b>
+
                                    <figcaption><b>$x_2$ imply $x_1$.</b>
                                    <p style="text-align:justify">The output concentration of the logical function $x_2$
+
                                        The output concentration of the logical function $x_2$
 
                                         imply $x_1$ is
 
                                         imply $x_1$ is
 
                                         shown
 
                                         shown
Line 614: Line 639:
 
                                         four
 
                                         four
 
                                         possible inputs in the following order (0,0), (0,1), (1,0), (1,1).
 
                                         possible inputs in the following order (0,0), (0,1), (1,0), (1,1).
                                     </p></figcaption>
+
                                     </figcaption>
                            </figure>
+
                                </figure>
                        </div>
+
                            </div>
  
                        <div style="float:left; width:100%">
+
                            <div style="float:left; width:100%">
                            <figure data-ref="fig:nimply">
+
                                <figure data-ref="fig:nimply">
                                <img
+
                                    <img
                                        src="https://static.igem.org/mediawiki/2016/1/11/T--Slovenia--5.5.9.png">
+
                                            src="https://static.igem.org/mediawiki/2016/1/11/T--Slovenia--5.5.9.png">
                                <figcaption><b>$x_1$ nimply $x_2$.</b>
+
                                    <figcaption><b>$x_1$ nimply $x_2$.</b>
                                    <p style="text-align:justify">The output concentration of the logical function
+
                                        The output concentration of the logical function
 
                                         $x_1$
 
                                         $x_1$
 
                                         nimply $x_2$ is
 
                                         nimply $x_2$ is
Line 629: Line 654:
 
                                         with
 
                                         with
 
                                         all four possible inputs in the following order (0,0), (0,1), (1,0), (1,1).
 
                                         all four possible inputs in the following order (0,0), (0,1), (1,0), (1,1).
                                     </p></figcaption>
+
                                     </figcaption>
                            </figure>
+
                                </figure>
                        </div>
+
                            </div>
  
                        <p>
+
                            <p>
                            Our system also allows us to shorten the lifetime of the output signal without significantly
+
                                Our system also allows us to shorten the lifetime of the output signal without
                            reducing its
+
                                significantly
                            concentrations by adding degradation tags to the output protein. The high output times
+
                                reducing its
                            achieved
+
                                concentrations by adding degradation tags to the output protein. The high output times
                            can even be
+
                                achieved
                            similar
+
                                can even be
                            to
+
                                similar
                            the input light induction time of 1 minute. These two characteristics can importantly
+
                                to
                            influence
+
                                the input light induction time of 1 minute. These two characteristics can importantly
                            several
+
                                influence
                            sequential
+
                                several
                            induction of logic gates and the further development of several layered logic circuits.
+
                                sequential
                        </p>
+
                                induction of logic gates and the further development of several layered logic circuits.
                        <div style="width:60%">
+
                            </p>
                            <figure data-ref="fig:reducedtime">
+
                            <div style="width:60%">
                                <img src="https://static.igem.org/mediawiki/2016/0/08/T--Slovenia--5.5.10.png"
+
                                <figure data-ref="fig:reducedtime">
                                >
+
                                    <img src="https://static.igem.org/mediawiki/2016/0/08/T--Slovenia--5.5.10.png"
                                <figcaption><p style="text-align:justify">Shortened output time due to the addition of
+
                                    >
                                    degradation tags to the output
+
                                    <figcaption>Shortened output time due to the addition of
                                    protein.
+
                                        degradation tags to the output
                                </p></figcaption>
+
                                        protein.
                             </figure>
+
                                    </figcaption>
 +
                                </figure>
 +
                             </div>
 
                         </div>
 
                         </div>
 
                     </div>
 
                     </div>
                     <h2 class="ui left dividing header"><span id="ref-title" class="section">&nbsp;</span>References
+
                     <h3 class="ui left dividing header"><span id="ref-title" class="section colorize">&nbsp;</span>References
                     </h2>
+
                     </h3>
 
                     <div class="ui segment citing" id="references"></div>
 
                     <div class="ui segment citing" id="references"></div>
 
                 </div>
 
                 </div>

Latest revision as of 17:49, 19 October 2016

Model Logic

  Modeling logic gates

  • Fourteen coiled-coil-based logic operations were designed and modeled in order to function in vivo.
  • Fast response was obtained upon reconstitution of light inducible proteases used as input.

 

Engineering and designing biological circuits constitute a central core of synthetic biology. In the context of our iGEM project, one of the challenges was to create, tune and regulate novel pathways in living cells using a fast-relay system. The toolset of orthogonal proteases that we developed worked as input for logic function in mammalian cells. Therefore, here we propose schemes for implementation of all 14 non-trivial two input binary logic functions based on a protein-protein interaction (coiled coil) and proteolysis system in cells (fig:logicfunctions). Designed logic gates based on protein-protein interaction are expected to have a shorter time delay compared to their analogues based on transcription activation Gaber:2014, Kiani:2014 .

Scheme of all non-trivial two input logic functions.

Implementation of all 14 two input non-trivial logic operations based on the proteolysis and coiled coil displacement. Note that in addition to the previously publishes coiled coil-based protease sensor Shekhawat2009 we introduce an additional site for the proteolytic cleavage which enables implementation of all logic functions in a single layer.

The main post-translational modification on which signaling and information processing systems are based is protein phosphorylation, which enables reversibility and fast response. Proteolysis is on the other hand irreversible, which imposes some limitations with respect to phosphorylation. However for many applications fast activation is most important, while the time to reset the system in the resting state is of secondary importance.

Our protein-based system is designed in such a way that it works through coiled coil interactions, where each coiled coil in the system is either free or bound to its partner depending on the proteolytic activity. Furthermore, the signal output is represented by reconstitution of a split protein (i.e. luciferase or protease), which is fused separately to different coiled coil segments. To prove the feasibility of this design, we simulated the system's behavior using deterministic modeling. The simulations were run in Wolfram Mathematica, using xCellerator's xlr8r libraries.

The designed binary logic gates can be divided into 5 subgroups, based on the position of the protease cleavage sites:

  • a) cleavage site between coiled coils: conjunction, disjunction and both projection functions;
  • b) cleavage site between the coiled coil and split protease: logical NAND, logical NOR and both negations;
  • c) cleavage sites between coiled coils as well as between the coiled coil and split protease in the same construct: material implication and converse implication;
  • d) cleavage sites between coiled coils as well as between the coiled coil and split protease in different constructs: exclusive disjunction, logical biconditional, material nonimplication and converse nonimplication;
  • e) no cleavage sites: tautology and contradiction.

For applications that require fast response (e.g. protein secretion), which are the purpose of our attempt, only falsity preserving gates are appropriate, as biological systems usually require fast activation and not fast deactivation. The following functions correspond to the desired condition: both projection functions, conjunction, disjunction, exclusive disjunction, material nonimplication, converse nonimplication and true.

Since the dynamics of both functions in subgroup e) is trivial, i.e. output is a constant, their modeling is omitted. We selected a single function from the other four subgroups, for which a mathematical model was established and analyzed. We selected the following functions $f_1(x_1, x_2) = x_1$ from subgroup a), $f_2(x_1, x_2) = \neg(x_1 \vee x_2)$ from b), $f_3(x_1, x_2) = x_2 \Rightarrow x_1$ from c) and $f_4(x_1, x_2) = \neg(x_1 \Rightarrow x_2)$ from d).

Inducible proteases were assumed as the two input variables for each function. The logical values true and false were in all the cases presented with high and low amounts of output proteins or input proteases, respectively. Where the output signal is presented with several different proteins, the sum of their concentrations was observed. The schemes of the assumed reactions included in the implementation of described logical functions are represented in fig:scheme_buffer , fig:scheme_nor , fig:schemes_imply and fig:schemes_nimply . All of them ignore the leakage due to the binding of the coiled coils before cleavage, which could be solved by setting the building elements with appropriate parameters as demonstrated in the experimental section on the CC-based logic design.

Scheme of the modeled function $f_1$. The output is represented with the emission of light induced by reconstitution of the split firefly luciferase reporter.
Scheme of the modeled function $f_2$. The output is represented with the emission of light induced by reconstitution of the split firefly luciferase reporter.
Scheme of the modeled function $f_3$. The output is represented with the emission of light induced by reconstitution of the split firefly luciferase reporter.
Scheme of the modeled function $f_4$. The output is represented with the emission of light induced by reconstitution of the split firefly luciferase reporter.

  Deterministic modeling

We have established the following ordinary differential equations (ODEs) based model:

Projection function $f_1$

\begin{align} v'(t) =& \alpha_2 - \delta_1 * v(t) - \sigma_1 * v(t) * u(t) * l(t) + \sigma_2 * p_1(t), \\ u'(t) =& \alpha_2 - \delta_1 * u(t) - \sigma_1 * v(t) * u(t) * l(t) + \sigma_2 * p_1'(t), \\ g'(t) =& \alpha_1- \delta_1 * g(t) - \tau * g(t) * p_1(t), \\ g_1'(t) =& -\delta_1 * g_1(t) + \gamma_2 * g_1g_2(t) + \beta_2 * g_1i(t) - \gamma_1 * g_1(t) * g_2(t) - \beta_1 * g_1(t) * i(t), \\ g_1g_2'(t) =& -\gamma_2 * g_1g_2(t) + \gamma_1 * g_1(t) * g_2(t) + \tau * g(t) * p_1(t), \\ g_1i'(t) =& -\delta_1 * g_1i(t) - \beta_2 * g_1i(t) + \beta_1 * g_1(t) * i(t), \\ g_2'(t) =& \gamma_2 * g_1g_2(t) - \delta_1 * g_2(t) - \gamma_1 * g_1(t) * g_2(t), \\ i'(t) =& \alpha_1+ \beta_2 * g_1i(t) - \delta_1 * i(t) - \beta_1 * g_1(t) * i(t),\\ p_1'(t) =& \sigma_1 * v(t) * u(t) * l(t) - \sigma_2 * p_1(t) \end{align}

Logical NOR $f_2$

\begin{align} c'(t) =& \alpha_1- \delta_1 * c(t) + \beta_2 * cd(t) - \beta_1 * c(t) * d(t) - \tau * c(t) * p_1(t), \\ c_1'(t) =& -\delta_1 * c_1(t) + \tau * c(t) * p_1(t) + \tau * cd(t) * p_1(t), \\ c_2'(t) =& -\delta_1 * c_2(t) + \tau * c(t) * p_1(t), \\ c_2d'(t) =& \tau * cd(t) * p_1(t), \\ cd'(t) =& -\delta_1 * cd(t) - \beta_2 * cd(t) + \beta_1 * c(t) * d(t) - \tau * cd(t) * p_1(t) - \tau * cd(t) * p_2(t), \\ cd_2'(t) =& \tau * cd(t) * p_2(t), \\ v'(t) =& \alpha_2 - \delta_1 * v(t) - \sigma_1 * v(t) * u(t) * l_1(t) + \sigma_2 * p_1(t), \\ w'(t) =& \alpha_2 - \delta_1 * w(t) - \sigma_1 * w(t) * z(t) * l_2(t)+ \sigma_2 * p_2(t), \\ u'(t) =& \alpha_2 - \delta_1 * u(t) - \sigma_1 * v(t) * u(t) * l_1(t) + \sigma_2 * p_1(t), \\ z'(t) =& \alpha_2 - \delta_1 * z(t) - \sigma_1 * w(t) * z(t) * l_2(t) + \sigma_2 * p_2(t), \\ d'(t) =& \alpha_1+ \beta_2 * cd(t) - \delta_1 * d(t) - \beta_1 * c(t) * d(t) - \tau * d(t) * p_2(t), \\ d_1'(t) =& -\delta_1 * d_1(t) + \tau * cd(t) * p_2(t) + \tau * d(t) * p_2(t), \\ d_2'(t) =& -\delta_1 * d_2(t) + \tau * d(t) * p_2(t), \\ p_1'(t) =& \sigma_1 * v(t) * u(t) * l_1(t) - \sigma_2 * p_1(t), \\ p_2'(t) =& \sigma_1 * w(t) * z(t) * l_2(t) - \sigma_2 * p_2(t) \end{align}

Converse implication $f_3$

\begin{align} b'(t) =& \alpha_1- \delta_1 * b(t) - \beta_1 * b(t) * k_1(t) + \beta_2 * k_1b(t), \\ v'(t) =& \alpha_2 - \delta_1 * v(t) - \sigma_1 * v(t) * u(t) * l_1(t) + \sigma_2 * p_1(t), \\ w'(t) =& \alpha_2 - \delta_1 * w(t) - \sigma_1 * w(t) * z(t) * l_2(t) + \sigma_2 * p_2(t), \\ u'(t) =& \alpha_2 - \delta_1 * u(t) - \sigma_1 * v(t) * u(t) * l_1(t) + \sigma_2 * p_1(t), \\ z'(t) =& \alpha_2 - \delta_1 * z(t) - \sigma_1 * w(t) * z(t) * l_2(t) + \sigma_2 * p_2(t), \\ k'(t) =& \alpha_1- \delta_1 * k(t) - \tau * k(t) * p_1(t) - \tau * k(t) * p_2(t), \\ k_1'(t) =& -\delta_1 * k_1(t) - \beta_1 * b(t) * k_1(t) + \gamma_2 * k_{12}(t) + \\ & \gamma_2 * k_{123}(t) + \beta_2 * k_1b(t) - \gamma_1 * k_1(t) * k_2(t) - \gamma_1 * k_1(t) * k_{23}(t) \\ &+ \tau * k(t) * p_1(t) + \tau * k_1k_2(t) * p_1(t), \\ k_{12}'(t) =& -\delta_1 * k_{12}(t) - \gamma_2 * k_{12}(t) + \gamma_1 * k_1(t) * k_2(t), \\ k_{123}'(t) =& -\gamma_2 * k_{123}(t) + \gamma_1 * k_1(t) * k_{23}(t), \\ k_1b'(t) =& \beta_1 * b(t) * k_1(t) - \delta_1 * k_1b(t) - \beta_2 * k_1b(t), \\ k_1k_2'(t) =& -\tau * k_1k_2(t) * p_1(t) + \tau * k(t) * p_2(t), \\ k_2'(t) =& \gamma_2 * k_{12}(t) - \delta_1 * k_2(t) - \gamma_1 * k_1(t) * k_2(t) + \tau * k_1k_2(t) * p_1(t) + \tau * k_{23}(t) * p_2(t), \\ k_{23}'(t) =& \gamma_2 * k_{123}(t) - \delta_1 * k_{23}(t) - \gamma_1 * k_1(t) * k_{23}(t) + \tau * k(t) * p_1(t) - \tau * k_{23}(t) * p_2(t), \\ k_3'(t) =& -\delta_1 * k_3(t) + \tau * k(t) * p_2(t) + \tau * k_{23}(t) * p_2(t), \\ p_1'(t) =& \sigma_1 * v(t) * u(t) * l_1(t) - \sigma_2 * p_1(t), \\ p_2'(t) =& \sigma_1 * w(t) * z(t) * l_2(t) - \sigma_2 * p_2(t) \end{align}

Mathematical nonimplication $f_4$

\begin{align} v'(t) =& \alpha_2 - \delta_1 * v(t) - \sigma_1 * v(t) * u(t) * l_1(t) + \sigma_2 * p_1(t), \\ w'(t) =& \alpha_2 - \delta_1 * w(t) - \sigma_1 * w(t) * z(t) * l_2(t) + \sigma_2 * p_2(t), \\ u'(t) =& \alpha_2 - \delta_1 * u(t) - \sigma_1 * v(t) * u(t) * l_1(t) + \sigma_2 * p_1(t), \\ z'(t) =& \alpha_2 - \delta_1 * z(t) - \sigma_1 * w(t) * z(t) * l_2(t) + \sigma_2 * p_2(t), \\ d'(t) =& \alpha_1- \delta_1 * d(t) - \beta_1 * d(t) * g_1(t) + \beta_2 * g_1d(t) - \tau * d(t) * p_2(t), \\ d_1'(t) =& -\delta_1 * d_1(t) - \gamma_1 * d_1(t) * g_1(t) + \gamma_2 * g_1d_1(t) + \tau * d(t) * p_2(t), \\ d_2'(t) =& -\delta_1 * d_2(t) + \tau * d(t) * p_2(t) + \tau * g_1d(t) * p_2(t), \\ g'(t) =& \alpha_1- \delta_1 * g(t) - \tau * g(t) * p_1(t), \\ g_1'(t) =& -\delta_1 * g_1(t) - \beta_1 * d(t) * g_1(t) - \gamma_1 * d_1(t) * g_1(t) \\ & + \beta_2 * g_1d(t) + \gamma_2 * g_1d_1(t) + \gamma_2 * g_1g_2(t) - \gamma_1 * g_1(t) * g_2(t), \\ g_1d'(t) =& \beta_1 * d(t) * g_1(t) - \delta_1 * g_1d(t) - \beta_2 * g_1d(t) - \tau * g_1d(t) * p_2(t), \\ g_1d_1'(t) =& \gamma_1 * d_1(t) * g_1(t) - \gamma_2 * g_1d_1(t) + \tau * g_1d(t) * p_2(t), \\ g_1g_2'(t) =& -\gamma_2 * g_1g_2(t) + \gamma_1 * g_1(t) * g_2(t) + \tau * g(t) * p_1(t), \\ g_2'(t) =& \gamma_2 * g_1g_2(t) - \delta_1 * g_2(t) - \gamma_1 * g_1(t) * g_2(t), \\ p_1'(t) =& \sigma_1 * v(t) * u(t) * l_1(t) - \sigma_2 * p_1(t), \\ p_2'(t) =& \sigma_1 * w(t) * z(t) * l_2(t) - \sigma_2 * p_2(t) \end{align}

The function of light presence, denoted with $l(t)$, $l_1(t)$ or $l_2(t)$, is a piecewise function which equals 1 if the light is present and 0 otherwise. Functions $p_1$, $p_2$, $g$, $g_1$, $g_1d$, $g_1d_1$, $g_1g_2$, $g_1i$, $g_2$, $c$, $c_1$, $c_2$, $c_2d$, $cd$, $cd_2$, $w$, $z$, $d$, $d_1$, $d_2$, $k$, $k_1$, $k_{12}$, $k_{123}$, $k_1b$, $k_1k_2$, $k_2$, $k_{23}$, $k_3$, $i$, $b$, $k$, $v$, $u$, $w$, $z$ present concentrations of the equally labelled proteins. The constants used for the model are described in tab:refs .

Description Name Rate Reference
protein production rate $\alpha$ 3.5 * 20$^{-2}$ nMs$^{-1}$ Mariani:2010, Alon:2006
light inducible split protease production rate $\alpha_2$ 7 * 10$^{-1}$ nMs$^{-1}$ protein:protease DNA ratio is 1:20
protein degradation rate $\delta_1$ Log[2] / (3600 * 9) $s^{-1}$ Eden:2011
light inducible split protease dissociation rate $\sigma_2$ Log[2] / (60 * 5.5) s$^{-1}$ Taslimi:2016
light inducible split protease association rate $\sigma_1$ 1 nM$^{-1}$ s$^{-1}$ Alon:2006
protease cleavage rate $\tau$ 1.2 * 10$^-6$ nM$^-1$ s$^{-1}$ Yi:2013
stronger coiled coils association rate $\beta_1$ 3.17 * 10$^{-3}$ nM$^{-1}$ s$^{-1}$ DeCrescenzo:2003
stronger coiled coils dissociation rate $\beta_2$ 2 * 10$^{-4}$ s$^{-1}$ DeCrescenzo:2003
weaker coiled coils association rate $\gamma_1$ 7.3 * 10$^{-6}$ nM$^{-1}$ s$^{-1}$ DeCrescenzo:2003
weaker coiled coils dissociation rate $\gamma_2$ 1.67 * 10$^{-1}$ s$^{-1}$ DeCrescenzo:2003
time of light exposure / 60 s estimated from experimental results

  Results

We simulated the dynamics of established logic gates with the numerical integration of their mathematical models described in the previous paragraphs. The results of our simulations are shown in fig:buffer , fig:nor , fig:imply and fig:nimply . They confirm our assumption that all four types of logic functions offer shorter delay compared to their equivalents based on genetic regulatory networks. The rise and fall times of our gates are simulated to be at around 70 seconds compared to hours that transcription regulation circuits usually require.

$x_1$. The output concentration of the logical function $x_1$ is shown with both possible inputs in the following order 0, 1.
$x_1$ NOR $x_2$. The output concentration of the logical function $x_1$ NOR $x_2$ is shown with all four possible inputs in the following order (0,0), (0,1), (1,0), (1,1).
$x_2$ imply $x_1$. The output concentration of the logical function $x_2$ imply $x_1$ is shown with all four possible inputs in the following order (0,0), (0,1), (1,0), (1,1).
$x_1$ nimply $x_2$. The output concentration of the logical function $x_1$ nimply $x_2$ is shown with all four possible inputs in the following order (0,0), (0,1), (1,0), (1,1).

Our system also allows us to shorten the lifetime of the output signal without significantly reducing its concentrations by adding degradation tags to the output protein. The high output times achieved can even be similar to the input light induction time of 1 minute. These two characteristics can importantly influence several sequential induction of logic gates and the further development of several layered logic circuits.

Shortened output time due to the addition of degradation tags to the output protein.

 References