Difference between revisions of "Team:Slovenia/ModelLogic"

Line 27: Line 27:
 
             }
 
             }
 
         })
 
         })
 
+
   
 
     </script>
 
     </script>
 
     <script type="text/javascript" async
 
     <script type="text/javascript" async
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="#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 69: Line 72:
 
                 <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="intro" class="section"> &nbsp; </span>Modeling logic gates</h1>
                         <div class = "ui segment" style = "background-color: #ebc7c7; ">
+
                         <div class="ui segment" style="background-color: #ebc7c7; ">
<p><b><ul><li>Design of several logic gates were modeled.
+
                            <p><b>
<li> Fast response of the proposed design was proved via simulation.
+
                                <ul>
</ul></b></p>
+
                                    <li>Design of several logic gates were modeled.
</div>
+
                                    <li> Fast response of the proposed design was proved via simulation.
<div class="ui segment">
+
                                </ul>
+
                            </b></p>
 +
                        </div>
 +
                        <div class="ui segment">
 
                             <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 101: Line 107:
 
                                 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
 
                                 activation
 
                                 activation
                                 <x-ref>Gaber:2014, Kiani:2014</x-ref>.
+
                                 <x-ref>Gaber:2014, Kiani:2014</x-ref>
 +
                                .
 
                             </p>
 
                             </p>
  
Line 256: Line 263:
 
                                     <figcaption><b>Scheme of the modeled function $f_1$.</b>
 
                                     <figcaption><b>Scheme of the modeled function $f_1$.</b>
 
                                         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.
                                     
+
 
 
                                     </figcaption>
 
                                     </figcaption>
 
                                 </figure>
 
                                 </figure>
Line 271: Line 278:
 
                                     <figcaption><b>Scheme of the modeled function $f_2$.</b>
 
                                     <figcaption><b>Scheme of the modeled function $f_2$.</b>
 
                                         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.
                                        </figcaption>
+
                                    </figcaption>
 
                                 </figure>
 
                                 </figure>
 
                             </div>
 
                             </div>
Line 284: Line 291:
 
                                             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>
                                      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.
                                      </figcaption>
+
                                    </figcaption>
 
                                 </figure>
 
                                 </figure>
 
                             </div>
 
                             </div>
Line 298: Line 305:
 
                                     <figcaption><b>Scheme of the modeled function $f_4$.</b>
 
                                     <figcaption><b>Scheme of the modeled function $f_4$.</b>
 
                                         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.
                                      </figcaption>
+
                                    </figcaption>
 
                                 </figure>
 
                                 </figure>
 
                             </div>
 
                             </div>
Line 308: Line 315:
 
                         </div>
 
                         </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>
                                    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 584: Line 593:
 
                                         in the
 
                                         in the
 
                                         following order 0, 1.
 
                                         following order 0, 1.
                                  </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>
                                    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 601: Line 610:
 
                                         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).
 
                                     </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>
                                    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 616: Line 625:
 
                                         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).
 
                                     </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>
                                  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 630: Line 639:
 
                                         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).
                                  </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>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
                              </figcaption>
+
                                        protein.
                            </figure>
+
                                    </figcaption>
 +
                                </figure>
 +
                            </div>
 
                         </div>
 
                         </div>
 
                     </div>
 
                     </div>

Revision as of 23:54, 18 October 2016

Model Logic

  Modeling logic gates

  • Design of several logic gates were modeled.
  • Fast response of the proposed design was proved via simulation.

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 16 two input binary logic functions based on a protein-protein interaction (coiled coil) and proteolysis system in cells. 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 .

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