[发明专利]一种通过熵变分析离子束注入全基因组突变及定向进化物理机制的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种通过熵变分析离子束注入全基因组突变及定向进化物理机制的方法，具体的涉及一种通过引入DNA分子有效体积和自由体积的概念、基于熵变函数的定义、计算细胞核有效熵变和自由熵变、分析离子束注入全基因组突变及定向进化物理机制的方法。

背景技术

1850年，德国物理学家鲁道夫·克劳修斯首次提出熵的概念，用来表示任何一种能量在空间中分布的均匀程度，能量分布得越均匀，熵就越大。一个体系的能量完全均匀分布时，这个系统的熵就达到最大值。在克劳修斯看来，在一个系统中，如果听任它自然发展，那么，能量差总是倾向于消除的。让一个热物体同一个冷物体相接触，热量总会自发的从热物体向冷物体流动，热物体将冷却，冷物体将变热，直到两个物体达到相同的温度为止。克劳修斯在研究卡诺热机时，根据卡诺定理得出了对任意可逆循环过程都都适用的一个公式：dS = dQ/T。

1877年，奥地利物理学家玻尔兹曼在研究微观粒子运动统计现象的基础上采用统计学方法建立了熵函数：S=klnΩ，其中，Ω为系统微观粒子的微观状态数，k为玻尔兹曼常数。这个公式反映了熵函数的统计学意义，它将系统的宏观物理量S与微观物理量Ω联系起来，成为联系宏观与微观的重要桥梁之一。基于上述熵与热力学概率之间的关系，可以得出结论：系统的熵值直接反映了它所处状态的均匀程度，系统的熵值越小，它所处的状态越是有序，越不均匀；系统的熵值越大，它所处的状态越是无序，越均匀。系统总是力图自发地从熵值较小的状态向熵值较大（即从有序走向无序）的状态转变，这就是隔离系统“熵增加原理”的微观物理意义。

1906年，德国物理学家、物理化学家瓦尔特·能斯特提出了热力学第三定律：在0K时任何完整晶体中的原子或微观粒子只有一种排列方式，即只有唯一的微观状态，其熵值为零。从熵值为零的状态出发，使体系变化到P=1.013×10⁵Pa和某温度T，如果知道这一过程中的热力学数据，原则上可以求出过程的熵变值，它就是体系的绝对熵值。于是人们求得了各种物质在标准状态下的摩尔绝对熵值，简称标准熵，单位为kJ/mol。

在热力学中，熵是表征物质状态的参量之一，通常用符号S表示。对于可逆过程，熵增定义为dS = dQ/T，若过程是不可逆的，则dS > dQ/T，式中T为物质的热力学温度，dQ为熵增过程中物质吸收的热量。从微观上说，熵是组成系统的大量微观粒子无序度的量度，系统越无序、越混乱，熵就越大。热力学过程不可逆性的微观本质和统计意义就是系统从有序趋于无序，从概率较小的状态趋于概率较大的状态。

离子束诱变技术是上世纪80年代中期由我国科学家开创的新兴研究领域，是育种方法学的重要创新并从国内走向世界。在离子注入生物效应的研究中，呈现出一些独特性，它主要包括能量沉积、动量传递、质量沉积和电荷交换这4个原初过程，这4个过程在很短的时间内同时发生，很难区分各自的独立作用。离子注入产生的生物效应的因素与辐射不同，离子注入除了具有能量沉积引起机体损伤的特征外，还具有动量传递产生的级联损伤，表现为遗传物质的原子移位、重排或基因缺失，还有沉积离子、移位原子和本底元素复合反应造成的化学损伤以及电荷交换引起的DNA分子电子转移造成的损伤。注入的荷能离子的电信号和所形成的微电场影响着生物体生命过程中的基因表达和调控、细胞内外的能量交换、物质运输、信息传递，并刺激损伤DNA 的修复、生物体的生长和发育。因此，离子束诱变技术已成为拥有我国自主知识产权的定向遗传育种的新方法、新途径。

人类对于基因组进化的兴趣最早可以追溯到20世纪70-80年代选择学说和中性学说的逐渐形成和争论。虽然至今还没有完全弄清基因进化的具体过程和机制，但目前已经普遍认为广泛存在的点突变和插入/缺失突变是基因组进化的重要驱动力。自1927年Muller发现X射线能诱发果蝇产生大量多种类型突变和20世纪40年代初Fresjeben和Lein利用诱变剂在植物上获得有益突变以来，突变被广泛应用于生物的遗传育种及定向进化研究。随着DNA高精度高通量快速测序技术的发展和完善，测序成本大幅度降低，促进了全基因组突变技术和方法的发展和应用(Nature Genetics, publish online, 20 june 2007)。较早用于全基因组突变技术TILLING，是将诱发产生高频率点突变的化学诱变方法与PCR筛选技术和Li-Cor公司生产的4300DNA遗传分析系统的双色红外荧光高通量检测技术有效结合，快速有效的从化学诱变剂（EMS）诱变产生的突变群体中鉴定出点突变。