LOV являются членами суперсемейства доменов PAS и эволюционно связаны с доменами, такими как HK и ДНК-связывающие домены Helix-turn-helix (HTH). Разнообразные методы, включая индуцированное светом развязывание, наклонение и димеризацию, используются для контроля слитых функциональных доменов (Herrou and Crosson, 2011). Как и фитохромы, кофактор флавина (FAD или FMN) также необходим для фотосигнализации доменов LOV, но эти кофакторы распространены повсеместно и не требуют дополнительного синтеза (Christie et al., 1999) (таблица 1).

С эволюционной точки зрения оба семейства световых сенсоров демонстрируют большое разнообразие в обмене белками и естественным образом соединяются с различными функциональными модулями, чтобы стать разнообразными мембраносвязанными HK (двухкомпонентная система) или цитозольными исполнительными механизмами (однокомпонентная система) (Losi и Гертнер, 2008). Понимание того, как световые сенсоры превратились в такое разнообразие, вдохновило людей на создание сенсоров естественного света. Основываясь на их возможностях для обмена доменов, световые сигнальные ядра белков семейства фитохромов и LOV соединяются с различными функциональными модулями искусственно в двухкомпонентные и однокомпонентные системы в дополнение к их естественным аналогам.Здесь мы рассматриваем сконструированные световые сенсоры в E. coli в порядке двухкомпонентных и однокомпонентных систем в соответствии с их различными сигнальными свойствами (Таблица 1).

Двухкомпонентные системы

Двухкомпонентные светорегулирующие системы (TCS) были разработаны в бактериях для восприятия ультрафиолета (UirS / UirR) (Ramakrishnan and Tabor, 2016), синего (YF1 / FixJ) (Möglich et al., 2009), зеленого (CcaS / CcaR) (Hirose et al., 2008; Tabor et al., 2011), красный (Cph8 / OmpR) (Levskaya et al., 2005) и ближнего инфракрасного света (Ong et al., 2018). Световое освещение приводит к фотоизомеризации связанного кофактором HK, настраивая активацию и инактивацию киназы. Сигнал далее передавался фосфатной группой на внутриклеточный родственный ответчик, который контролирует экспрессию гена под согласованным промотором (рис. 1А).

Рисунок 1 . Схемы двухкомпонентных и однокомпонентных систем. (A) Двухкомпонентные системы состоят из сенсорной гистидинкиназы (HK) и регулятора ответа (RR).Активность регуляторов ответа на транскрипцию регулируется фосфатной сигнализацией при освещении светом. (B) Фотоиндуцированная диссоциация LOV2-Jα расщепляет слитый белок в ответ на синий свет, высвобождая его активность. (C, D) Индуцированная светом димеризация и олигомеризация сенсоров приводят к взаимодействию прикрепленных белков. (E) Фотоиндуцированная диссоциация тетрамера Dronpa высвобождает интересующий белок.

Система Cph8 / OmpR была первой спроектированной двухкомпонентной системой, которая отключается красным светом.Фитохром цианобактерий был использован для замены внеклеточного сигнального домена исходной системы EnvZ / OmpR (Levskaya et al., 2005). Система YF1 / FixJ, инактивированная синим светом, была позже создана путем замены домена LOV в Bacillus subtilis YtvA (Ávila-Pérez et al., 2006) с исходной системой FixL / FixJ (Möglich et al., 2009). Система CcaS / CcaR, активированная зеленым светом, существует в природе у цианобактерий (Hirose et al., 2008) и была экспрессирована в E.coli (Tabor et al., 2011) и цианобактерии (Abe et al., 2014; Miyake et al., 2014). Аналогичным образом, активированная УФ-светом система UirS / UirR была также получена из цианобактерий (Song and Park, 2011).

В отличие от других TCS, BphP1 является цитозольным и использует светорегулируемую димеризацию вместо передачи сигналов фосфата. При освещении активированный BphP1 связывается с PpsR2 и высвобождает промотор при его репрессии. Ультрафиолетовый свет вреден для клеток, тогда как сигналы ближнего инфракрасного диапазона могут проникать в ткани (Chen et al., 2018), что позволяет применять систему BphP1 / PpsR2 в клетках млекопитающих (Кабернюк и др., 2016; Редчук и др., 2017, 2018b).

Двухкомпонентные системы схожи в передаче сигналов и спектрально изолированы, что позволяет создавать мультиплексированные платформы для многоцветного контроля клеточного поведения (Tabor et al., 2011; Motta-Mena et al., 2014; Redchuk et al., 2018a). Однако их сигнальные процессы требуют двух компонентов и дополнительных генов для синтеза хромофоров. Они требуют дополнительных возможностей векторов, ограничивая количество интересующих генов, которые нужно поставить под легкий контроль.Чтобы решить эту проблему, были созданы оптимизированные версии TCS, отвечающих на красный и зеленый свет (Schmidl et al., 2014; Ong and Tabor, 2018). TCS могут быть по своей сути сложными, относительно медленными в ретрансляции и реверсировании сигналов и менее портативными, что может быть дополнено однокомпонентными системами.

Однокомпонентные системы

Однокомпонентные световые сенсоры обеспечивают прямой контроль над активностью белка без необходимости транскрипции. Сенсоры в этой категории могут быть разными, но все хорошо охарактеризованные типы в бактериальных клетках принадлежат к белкам семейства LOV, отвечающим на синий свет, с доменом LOV, слитым с разными исполнительными механизмами.

YtvA из B. subtilis регулирует фактор транскрипции σB для ответа на стресс. Он состоит из N-концевого LOV-домена и C-концевого транспортера сульфата и домена антагониста анти-сигма-фактора (STAS) (Ávila-Pérez et al., 2006). Синий свет активирует домен STAT, который, в свою очередь, активирует сигма-фактор и, таким образом, активирует транскрипцию (Gaidenko et al., 2006; Möglich and Moffat, 2007; Avilapérez et al., 2009). Эта система непереносима, но ее домен LOV был использован для разработки химерной двухкомпонентной системы YF1 / FixJ (Möglich et al., 2009).

EL222 представляет собой фактор транскрипции из морской бактерии Erythrobacter litoralis . Он имеет домен LOV, слитый с ДНК-связывающим доменом HTH (Zoltowski et al., 2013). Домен HTH связан и тем самым ингибируется доменом LOV в темноте. При освещении синим светом домен HTH высвобождается, тем самым обеспечивая связывание ДНК (рис. 2A) (Nash et al., 2011; Rivera-Cancel et al., 2015).

Рисунок 2 . Применение световых датчиков у бактерий. (A) EL222 система двунаправленной транскрипции, управляемая светом, активирует и подавляет экспрессию генов с помощью различных стратегий связывания. (B) Расщепленный T7RNAP собирается вместе магнитами, восстанавливая его транскрипционную активность. (C) Схема микробно-аппаратного интерфейса и системы управления с обратной связью в реальном времени. Управление обратной связью в реальном времени реализовано алгоритмами и аппаратно. Аппаратное обеспечение включает три модуля: (1) систему культивирования клеток (2) систему количественной оценки в реальном времени (3) систему доставки света с компьютерным управлением.

VVD (Vivid) из Neurospora crassa — еще один фоторецептор на основе домена LOV, образующий гомодимеры в ответ на синий свет (рис. 1C) (Zoltowski et al., 2007, 2009; Zoltowski and Crane, 2008). VVD уникален среди всех фоторецепторов тем, что его способность к образованию димеров позволяет напрямую контролировать активность и локализацию белка, тем самым обеспечивая контроль над редактированием генома, транскрипцией и т. Д. Напротив, EL222 и TCS должны пройти через транскрипцию и по своей природе уступают по времени ответа и обратимости.Благодаря своей универсальности, VVD был слит с рядом белков в клетках млекопитающих, контролирующих транскрипцию (Wang et al., 2012), связывание металлов (Aper and Merkx, 2016) и передачу сигналов на основе рецепторных тирозинкиназ (RTK) ( Grusch et al., 2014). В бактериальных клетках подобная универсальность достигается с помощью Magnets, улучшенной версии VVD, как будет рассмотрено ниже. VVD может быть подвержен проблемам с эффективностью и селективностью из-за его свойства гомодимеризации. Магниты устраняют это ограничение, создавая гетеродимеры на основе электростатических взаимодействий.Таким образом, разработанные пары фотопереключателей называются положительным магнитом (pMag) и отрицательным магнитом (nMag). Кроме того, отключающие свойства магнитов также были настроены для достижения быстрого изменения направления при выключенном свете (Kawano et al., 2015). Дальнейшие исследования объединили pMag с AD (сборочные домены) для повышения авидности (Furuya et al., 2017). Были разработаны две основные стратегии для соблюдения правил освещения на основе магнитов. Первый объединяет pMag и nMag для расщепления белков или белков, образующих димеры, чтобы обеспечить прямой контроль над активностью белков (Nihongaki et al., 2017). Вторая стратегия контролирует активность белка, настраивая его локализацию. pMag и nMag сливаются с разными белками как «приманка» и «жертва». Синий свет опосредует колокализацию белков и, таким образом, настраивает нисходящие реакции (Yu et al., 2016; Shi et al., 2017; Benedetti et al., 2018).

Однокомпонентные системы имеют миниатюрные размеры, легкую переносимость, быструю обратимость и большее количество точек управления над TCS. Но на сегодняшний день только OCS, активируемые синим светом, хорошо охарактеризованы у бактерий.По сравнению с полной жизнеспособностью спектрального программирования TCS, следует включать больше каналов OCS.

Другие системы в меньшинстве

В дополнение к хорошо протестированным двухкомпонентным и однокомпонентным системам, указанным выше, есть также другие датчики, которые в меньшинстве и малоизучены на бактериях. Пара белков криптохрома 2 (CRY2) и связывания кальция и интегрина 1 (CIB1) выделена из растения Arabidopsis thaliana . Эта белковая пара представляет собой модуль димеризации, контролируемый синим светом, без потребности в каком-либо экзогенно добавленном кофакторе, кроме того, CRY2 может также независимо олигомеризоваться (рис. 1D).Основной белок спираль-петля-спираль CIB1 связывается с фотосенсором синего света CRY2 при освещении светом (Repina et al., 2017). Система PhyB / PIF (Phytochrome B / Phytochrome интерактивный фактор) также происходит из A. thaliana и используется для оптогенетического контроля межбелковых взаимодействий, в основном у эукариот. PhyB состоит из N-концевого фотосенсорного домена и C-концевого эффекторного домена, который связывается с транскрипционным фактором PIF в ответ на красный свет (Repina et al., 2017).Dronpa145N, мутант флуоресцентного белка Dronpa, включается фиолетовым светом (~ 400 нм), образуя тетрамеры, и выключается менее энергичным голубым светом (~ 500 нм), диссоциируя на мономеры (рисунок 1E) (Zhou et al. , 2012; Lv et al., 2017). Его свойство олигомеризации позволило напрямую контролировать активность белка. Кроме того, существуют также кобаламин-связывающие домены для зеленого сигнала (Kainrath et al., 2017; Wang et al., 2017) и УФ-рецептора UVRB (Müller et al., 2013). Внедрение и проверка этих систем потенциально могут расширить набор инструментов.

Свет в настройке синтетических цепей

Синтетическими биологическими цепями можно управлять на нескольких уровнях в соответствии с центральной догмой (Nielsen et al., 2013). Недавние достижения позволили использовать способность света управлять биологическими цепями на уровне транскрипции и активности белков. Как двухкомпонентные, так и однокомпонентные системы использовались для замены химических индукторов для достижения быстрой кинетики активации и дезактивации. Здесь мы рассматриваем достижения в настройке транскрипции и активности белков с помощью света и предлагаем комбинированное введение других незначительных нововведений, которые стали возможными благодаря большой гибкости света.

Световая транскрипция

Настройка синтетических схем путем настройки транскрипции является наиболее распространенной стратегией, и используются как двухкомпонентные, так и однокомпонентные датчики света (Таблица 1). Двухкомпонентные системы изначально предназначены для контроля транскрипции. Система Cph8 / OmpR, реагирующая на красный свет, была объединена с распознаванием кворума для создания синтетической программы обнаружения границ (Tabor et al., 2009). Системы pDawn и pDusk продемонстрировали потенциальную модульность световых датчиков в синтетической биологии.Система YF1 / FixJ инактивируется синим светом, что приводит к системе pDawn. Для достижения экспрессии генов, активируемых синим светом, в качестве инвертора использовали lamda-репрессор cI (Ohlendorf et al., 2012). Система pDawn и pDusk была сконструирована на одной плазмиде и не требует дополнительных генов для синтеза хромофоров, что обеспечивает более легкую переносимость (Farzadfard and Lu, 2011; Magaraci et al., 2014). В одной практике система pDawn использовалась для контроля экспрессии гена адгезии Ag43 и, в свою очередь, регулирует образование биопленок (Jin and Riedelkruse, 2018).Кроме того, были предложены системы Cph8 / OmpR (Lee et al., 2013), CcaS / CcaR (Nakajima et al., 2016) и YF1 / FixJ (Chang et al., 2017) для управления фабриками бактериальных клеток с помощью опосредованный светом контроль транскрипции (рис. 1А). TCS также служат полезным инструментом в инженерии метаболизма цианобактерий. Поскольку химические индукторы не идеальны для крупномасштабного культивирования, светорегулируемые TCS могут служить хорошей альтернативой (Song and Park, 2011; Abe et al., 2014). Учитывая их модульность и множественные световые каналы, двухкомпонентные системы можно мультиплексировать для достижения многоцветного контроля экспрессии генов (Tabor et al., 2011; Фернандес-Родригес и др., 2017). В одном недавнем исследовании все три канала RGB созданы в E. coli с минимальными перекрестными помехами (Fernandez-Rodriguez et al., 2017). В этом случае использовался распределитель ресурсов на основе сильно фрагментированной T7 RNAP для объединения трех входов световых сигналов и выходов транскрипции. Точно так же команда iGEM предложила прототип бактериального 3D-принтера путем иммобилизации бактерий в гелях и использования пересечения лазерных лучей для запуска экспрессии генов (Paris-Bettencourt, 2017).Их способность к программированию полного спектра и сходство в архитектуре сделали TCS популярным выбором для индуцируемого светом контроля транскрипции.

За последние несколько лет было разработано множество новых деталей на основе однокомпонентных систем. Эти системы показали себя многообещающими с точки зрения более быстрой индукционной и обратной кинетики и по своей сути менее обременительны и более портативны по сравнению с известными двухкомпонентными системами. Система двунаправленного промотора, управляемая светом, была построена на основе EL222 (Jayaraman et al., 2016). Свойства связывания EL222 с ДНК, активируемой светом, были четко выяснены. Экспрессия как светоактивированного, так и подавленного гена была достигнута путем помещения последовательности узнавания Е1222 в разные области промотора. Для достижения световой активации связывающую область luxR промотора luxI заменяли связывающей последовательностью EL222, перекрывающей область -35. Поскольку механизм активации EL222 аналогичен механизму активации ДНК-связывающих белков класса luxR, световое освещение, таким образом, будет способствовать связыванию EL222 и тем самым рекрутировать РНК-полимеразу.Аналогичным образом, легкая репрессия транскрипции была достигнута путем помещения связывающей области EL222 между областями -35 и -10 и, таким образом, ингибировала связывание РНК-полимеразы (рис. 2А). Они также продемонстрировали, что эти две промоторные системы могут функционировать параллельно. Была изготовлена ​​лампочка E. coli , которая излучала биолюминесценцию только в темноте на основе бистабильного переключателя EL222 (UCL, 2017). Система EL222 также недавно была введена в дрожжи для осуществления регулируемого светом производства метаболитов (Zhao et al., 2018). Кроме того, недавнее исследование дополнительно изучило потенциал EL222 в бесклеточной оптогенетике (Jayaraman et al., 2018). Другой класс однокомпонентных транскрипционных систем был построен путем слияния расщепленных T7 RNAP с VVD и Magnets (Han et al., 2016; Baumschlager et al., 2017). После активации синим светом расщепленная T7 RNAP была собрана вместе с помощью VVD или Magnets, восстанавливая его активность (рис. 2B). Эта система демонстрирует хорошую портативность. Для достижения световой индукции экспрессии генов требуется только трансформация двух генов, и сконструированные векторы экспрессии не должны подвергаться реконструкции из-за использования промотора Т7.Системы как EL222, так и расщепленные T7 RNAP демонстрируют быструю обратимость, обеспечивая динамический контроль экспрессии генов. Однокомпонентная система демонстрирует большой потенциал в настройке транскрипции, хотя было разработано не так много частей. Наиболее значительным преимуществом сенсоров в этой категории является то, что сенсорные части света миниатюризированы, что оставляет больше возможностей для целевых генов, представляющих интерес. Кроме того, благодаря однокомпонентной архитектуре требуется меньше времени на передачу сигналов и реверсирование, что обеспечивает точное динамическое управление.

Свет также можно комбинировать с другими сигналами для создания логических вентилей и сложных многоуровневых схем (Camsund et al., 2011; Drepper et al., 2011; Gardner and Deiters, 2012). Одна из стратегий — объединить свет и другие сигналы с технологией CRISPR, которая, как было доказано, выполняет множество функций (Nielsen and Voigt, 2014). В частности, gRNA можно поместить под промоторы, контролируемые светом, чтобы объединить свет с активацией CRISPR и деактивацией экспрессии нижележащих генов (Bikard et al., 2013; Qi Lei et al., 2013; Jusiak et al., 2016). Это позволяет легко контролировать гены в хромосоме. Такой принцип применялся в инженерии метаболизма, где гРНК транскрибируются в ответ на свет, а затем комбинируются с dcas9 для перенаправления метаболического потока (Fernandez-Rodriguez et al., 2017). Команда 2017 HZAU iGEM предложила использовать свет для контроля репликации бактериальных клеток по аналогичной методике (HZAU-China, 2017). Вместо того, чтобы транскрибировать гРНК при освещении светом, они слили pMag и nMag с расщепленным dcas9.При освещении светом он связывается с сайтами связывания DnaA и ингибирует связывание DnaA, которое важно для репликации ДНК и клеток. Подобные методики можно использовать для регулирования роста клеток с обратной связью в реальном времени и даже для создания микробных консорциумов с заранее заданными соотношениями с большим количеством доступных световых каналов.

Освещение активности белков

В дополнение к контролю транскрипции, биологические схемы также могут быть настроены, предлагая прямой контроль над активностью белков (Таблица 1).Оптический контроль активности белков был установлен в эукариотических клетках отчасти благодаря доступу к широкому спектру сенсоров (Brechun et al., 2017; Liu and Tucker, 2017). Эти сенсоры относятся к однокомпонентным системам, которые претерпевают конформационные изменения или сдвиги в состояниях димеризации или олигомеризации при освещении светом. Хотя он широко применяется в эукариотических клетках, потенциал света в регулировании активности белков остается недостаточно изученным у бактерий, и это коррелирует с тем фактом, что однокомпонентные системы недавно были исследованы на бактериях.Здесь мы рассматриваем недавние практики в бактериальных клетках и предлагаем очень краткое введение в стратегии, используемые в эукариотических системах, которые могли бы служить шаблоном для потенциальной альтернативной инженерии в бактериальных клетках.

Практики в бактериальных клетках появились только в последние годы. Магниты использовались для контроля биопленок. pMag был отображен на поверхности E. coli , а nMag был иммобилизован на поверхности, что позволило контролировать образование биопленок синим светом (Chen and Wegner, 2017).Кроме того, образование биопленок контролируется синим светом с помощью других стратегий (Huang et al., 2018; Jin and Riedelkruse, 2018; Pu et al., 2018). Кроме того, свет также использовался для контроля самосборки белка у E. coli (Yu et al., 2017). Семейство фитохромов имеет диапазоны чувствительности, охватывающие весь спектр, и бактериофитохромы могут воспринимать дальний красный свет и, таким образом, были использованы для создания контролируемых светом аденилат- и гуанилатциклаз для передачи сигналов клетками (Ryu and Gomelsky, 2014; Ryu et al., 2014). В дополнение к основным TCS и OCS были предложены узкоспециализированные протонные насосы, управляемые светом, для управления движением бактерий, что позволяет создавать микродвигатели (Walter et al., 2007; Lozano et al., 2016; Vizsnyiczai et al., 2017).

Основной темой эукариотических клеток является регулируемая деградация белков, которая практически важна в биологии клеток млекопитающих для белков, слишком важных, чтобы их можно было истощить. Синтетические индуцируемые светом дегроны были сконструированы на дрожжах (Usherenko et al., 2014; Lutz et al., 2016) и высших эукариот (Renicke et al., 2013). Наиболее распространенная стратегия — объединить домен семейства LOV для размещения тега деградации. В темноте метка деградации «заперта» белком семейства LOV и высвобождается и получает доступ к деградации только при световом освещении (рис. 1B). Подобные системы могут быть созданы в бактериальных клетках, просто заменив эукариотический дегрон на метку бактериальной деградации, которая интенсивно исследовалась (Cameron and Collins, 2014; Lauritsen et al., 2018).

Light также использовался для контроля субклеточной локализации белков (Brechun et al., 2017). Одна стратегия основана на отдельных световых датчиках, которые могут быть объединены при освещении, включая Phy / PIF и магниты. Одна часть системы может быть прикреплена к целевым сайтам, а другая может быть слита с интересующим белком. После световой индукции интересующий белок будет перемещаться к целевым сайтам с помощью дополненных световых датчиков. В одном исследовании локализация белков в ядре, эндосомах и клеточной мембране была достигнута с помощью системы PhyB / PIF6 (Yang et al., 2013). Другая стратегия заключается в слиянии белков семейства LOV для фиксации сигнального пептида (Brechun et al., 2017). Были разработаны различные системы для контроля импорта в ядро ​​и экспорта из него (Di Ventura and Kuhlman, 2016; Yumerefendi et al., 2016), а недавнее исследование предложило стратегию контроля трехсторонней локализации белка между ядром, цитоплазмой и плазмой. мембраны (Редчук и др., 2018а). Эти стратегии у эукариот могут стимулировать субклеточную локализацию инженерных белков в бактериальных клетках и за их пределами.

Свет в переносящих микробах и оборудовании

Для реализации контроля клеточных культур в реальном времени и с дистанционной обратной связью основная стратегия заключается в использовании оборудования для мониторинга условий культивирования и доставки сигналов для изменения поведения клеток (Vance et al., 2002; Gardner et al., 2003; Mettetal et al., 2003; Mettetal et al. al., 2008; Muzzey et al., 2009; Shimizu et al., 2010). Однако существует огромный разрыв между культивируемыми клетками и микробами, поскольку отсутствует сигнал с кинетикой, достаточно быстрой для контроля обратной связи.Свет как новый сигнал успешно заполнил этот пробел между культивируемыми микробами и оборудованием благодаря своей уникальной кинетике включения и выключения (Gerhardt et al., 2016). В предыдущих исследованиях свет использовался для создания осцилляторов (Jayaraman et al., 2016) и динамического регулирования экспрессии генов (Milias-Argeitis et al., 2011, 2016; Melendez et al., 2014; Olson and Tabor, 2014; Olson et al., al., 2014) и локализации белков (Toettcher et al., 2011).

Управление с обратной связью в этих исследованиях было реализовано путем согласования аппаратных средств и алгоритмов.Компоненты оборудования в первую очередь отвечают за культивирование микробов и определение условий роста в реальном времени. Эти данные поступают в компьютер, и алгоритмы помогают определить конкретные манипуляции, которые отправляются на оборудование для доставки света в клетки, образуя замкнутый цикл (рис. 2С). Ниже мы предлагаем введение в аппаратное обеспечение и алгоритмы, а также краткий обзор возможностей управления световой обратной связью.

разделяет основную архитектуру, состоящую из трех частей: (а) адаптированную систему культивирования клеток; (б) система количественной оценки в реальном времени; и (c) управляемая компьютером система доставки света (рис. 2C) (Milias-Argeitis et al., 2016; Хеннеманн и др., 2018; Махаджан и Рай, 2018). Система культивирования клеток должна быть разработана в соответствии с экспериментальными целями. Как правило, он включает встроенную магнитную мешалку с подогревом как для поддержания температуры, так и для условий аэрации, а также для обеспечения случайного отбора проб. Система количественной оценки отслеживает свойства клеток и состояние среды в режиме реального времени. Общие свойства клеток включают OD, интенсивность флуоресценции или люминесценции, в то время как условия среды могут включать уровень pH, концентрации органических и неорганических молекул.На практике часто используются микрофлюидные устройства. Система доставки света — это управляемый источник света с настраиваемой длиной волны и интенсивностью. Длина волны в основном определяется сигнальными свойствами световых датчиков, кодируемых in vivo , в то время как интенсивность и продолжительность освещения определяются динамически в соответствии с данными, вводимыми из системы количественной оценки и данными предыдущего моделирования.

Существующие алгоритмы делятся на две категории: алгоритм пропорционального интеграла (PI) (Dorf and Bishop, 2011) и алгоритм прогнозирующего управления моделью (MPC) (Camacho and Alba, 2013).Алгоритм PI — самый популярный вариант алгоритма пропорционально-интегрально-производной (PID). Он постоянно принимает ошибку между желаемой уставкой (SP) и измеряемой переменной процесса (PV), чтобы сформировать сумму двух членов: одно пропорционально текущей ошибке, а другое пропорционально интегралу ошибки по времени. Используя результат, алгоритм PI применяет коррекцию реакции к следующей функции управления. Однако контроллер PI не может точно отслеживать изменяющиеся во времени задания, если они не изменяются очень медленно.Алгоритм MPC требует модели управляемой системы, которая отличается от алгоритма PI. Основываясь на модели, он использует текущее динамическое состояние процесса для прогнозирования будущих значений выходных данных, а затем соответствующие изменения входных переменных могут быть рассчитаны как на основе прогнозов, так и на основе текущего состояния. Таким образом, точные прогнозы модели могут обеспечить раннее предупреждение о потенциальных проблемах. Однако требование установленной модели ограничивает ее применение, особенно для сложного клеточного поведения, когда модель сложно построить (Milias-Argeitis et al., 2016).

С развитием аппаратного обеспечения и алгоритмов управление оптогенетической обратной связью исследует потенциал в других перспективах, включая как фундаментальную науку, так и технику. Например, его можно использовать для анализа других динамических процессов, таких как клеточные циклы (McAdams, Shapiro, 2003), дифференцировка (Kuchina et al., 2011; Ray et al., 2011; Levine et al., 2012; Vishnoi et al. ., 2013), стрессовые реакции (Young et al., 2013) и миграция (Weitzman, Hahn, 2014). Кроме того, контроль оптогенетической обратной связи может использоваться для оптимизации метаболических путей, особенно когда метаболиты могут нарушать нормальное поведение клеток (Zaslaver et al., 2004; Temme et al., 2012). Кроме того, возможность управления оптогенетической обратной связью может быть дополнительно исследована с помощью разработки новых стратегий количественной оценки и измерения. Например, использование секвенирования РНК для измерения мРНК в режиме реального времени может обеспечить возможность считывания большего количества параметров и в то же время повысить точность по сравнению с подходом с использованием флуоресцентных белков (Olson and Tabor, 2014).

Заключительное замечание

Контроль клеточного поведения — важная тема в синтетической биологии.Свет продемонстрировал свою большую способность контролировать клеточное поведение благодаря своей минимальной токсичности и быстрой кинетике активации и дезактивации по сравнению с химическими индукторами. В то время как оптогенетика млекопитающих создавалась годами, программирование бактерий с помощью света стало новой областью. За последние 15 лет было разработано множество двухкомпонентных и однокомпонентных систем. Эти системы широко используются для настройки синтетических цепей на уровне транскрипции и активности белков.Учитывая существующий набор сенсорных инструментов и накопленные практики на уровне контроля транскрипционной и белковой активности, свет также был дополнительно исследован для преодоления разрыва между культивируемыми микробами и оборудованием. Контроль за поведением клеток с обратной связью в реальном времени был достигнут благодаря уникальным сигнальным свойствам света.

Несмотря на большие перспективы, практика в основном ограничивалась ограниченным выбором световых датчиков. TCS демонстрируют потенциал в программировании мультиплексированного света, но занимают дополнительное место на векторах и уступают по кинетике обращения.С другой стороны, OCS миниатюрны и быстро отключаются, но ограничиваются синим светом. Это приводит к необходимости расширения набора инструментов: первая стратегия состоит в том, чтобы учиться на устоявшейся оптогенетике млекопитающих, вводя новые системы в клетки бактерий; Вторая стратегия состоит в том, чтобы постоянно добывать существующие естественные системы, точно так же, как были обнаружены некоторые существующие системы; и третья стратегия заключается в улучшении существующих частей путем модификации и создания новых частей на основе их модульности, которая продемонстрировала успех при разработке большинства OCS.

Программирование поведения бактерий с помощью света показало большие перспективы благодаря уникальным сигнальным свойствам света. Мы полагаем, что благодаря усовершенствованию существующих сенсорных систем и изучению новых систем в ближайшем будущем свет будет освещать поведение большего числа бактерий.

Авторские взносы

ZL написал рукопись с помощью JZ (часть рукописи), JJ (рисунки 1, 2 и часть рукописи) и ZG (таблица и часть рукописи). QL и QQ концептуализировали идею и цели обзора.

Финансирование

Эта работа финансировалась грантом Национального фонда естественных наук Китая (31770095), ключевым планом исследований и разработок провинции Шаньдун (2016ZDJS07A19) и планом развития науки и технологий Шаньдуна (2017GSF21108).

Заявление о конфликте интересов

Авторы заявляют, что исследование проводилось при отсутствии каких-либо коммерческих или финансовых отношений, которые могут быть истолкованы как потенциальный конфликт интересов.

Список литературы

Абэ К., Мияке К., Накамура М., Кодзима К., Ферри С., Икебукуро К. и др. (2014). Разработка системы экспрессии генов, индуцируемой зеленым светом в Synechocystis sp. PCC6803. Microb. Biotechnol. 7, 177–183. DOI: 10.1111 / 1751-7915.12098

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Апер, С. Дж., И Мерккс, М. (2016). Переключение мультидоменных белковых переключателей: преобразование флуоресцентного сенсора Zn ²⁺ в светочувствительный связывающий белок Zn ²⁺ . ACS Synth. Биол. 5, 698–709. DOI: 10.1021 / acssynbio.6b00027

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Авила-Перес, М., Хеллингверф, К. Дж., И Корт, Р. (2006). Синий свет активирует σB-зависимую стрессовую реакцию Bacillus subtilis через YtvA. J. Bacteriol. 188, 6411–6414. DOI: 10.1128 / JB.00716-06

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Авилаперес, М., Вриде, Дж., Танг, Ю., Бенде, О., Лози, А., Gärtner, W., et al. (2009). In vivo мутационный анализ YtvA из Bacillus subtilis : механизм световой активации общей стрессовой реакции. J. Biol. Chem. 284, 24958–24964. DOI: 10.1074 / jbc.M109.033316

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Bacchus, W., and Fussenegger, M. (2012). Использование света для инженерного контроля и перепрограммирования клеточных функций. Curr. Opin. Biotechnol. 23, 695–702. DOI: 10.1016 / j.copbio.2011.12.004

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Баумшлагер А., Аоки С. К., Хаммаш М. (2017). Динамические индуцируемые синим светом РНК-полимеразы Т7 (Opto-T7RNAP) для точного пространственно-временного контроля экспрессии генов. ACS Synth. Биол. 6, 2157–2167. DOI: 10.1021 / acssynbio.7b00169

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Бенедетти, Л., Барентин, А. Э. С., Месса, М., Уиллер, Х., Беверсдорф, Дж., и Де Камилли, П. (2018). Свето-активируемое взаимодействие белков с высоким пространственным внутриклеточным ограничением. Proc. Natl. Акад. Sci. США 115, E2238 – E2245. DOI: 10.1073 / pnas.1713845115

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Бху, С. Х., Дэвис, С. Дж., Уокер, Дж., Карниол, Б., и Виерстра, Р. Д. (2001). Бактериофитохромы представляют собой фотохромные гистидинкиназы, использующие хромофор биливердина. Nature 414, 776–779. DOI: 10.1038 / 414776a

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Бикард, Д., Цзян В., Самай П., Хохшильд А., Чжан Ф. и Марраффини Л. А. (2013). Программируемая репрессия и активация экспрессии бактериальных генов с использованием сконструированной системы CRISPR-Cas. Nucleic Acids Res. 41, 7429–7437. DOI: 10.1093 / nar / gkt520

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Бречун, К. Э., Арндт, К. М., и Вулли, Г. А. (2017). Стратегии фото-контроля активности эндогенных белков. Curr. Opin. Struct. Биол. 45, 53–58.DOI: 10.1016 / j.sbi.2016.11.014

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Камсунд, Д., Линдблад, П., и Харамилло, А. (2011). Генно-инженерные датчики света для контроля экспрессии бактериальных генов. Biotechnol. J. 6, 826–836. DOI: 10.1002 / biot.201100091

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Chang, F., Zhang, X., Pan, Y., Lu, Y., Fang, W., Fang, Z., et al. (2017). Свет индуцировал экспрессию β-глюкозидазы в Escherichia coli с автолизом клетки. BMC Biotechnol. 17:74. DOI: 10.1186 / s12896-017-0402-1

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Чен Ф. и Вегнер С. В. (2017). Подключаемая к синему свету бактериальная адгезия как ключевой шаг к созданию биопленок. ACS Synth. Биол. 6, 2170–2174. DOI: 10.1021 / acssynbio.7b00197

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Chen, S., Weitemier, A. Z., Zeng, X., He, L., Wang, X., Tao, Y., et al. (2018). Стимуляция глубокого мозга в ближнем инфракрасном диапазоне с помощью оптогенетики с повышающим преобразованием, опосредованной наночастицами. Наука 359, 679–684. DOI: 10.1126 / science.aaq1144

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Кристи, Дж. М., Саломон, М., Нозуэ, К., Вада, М., и Бриггс, В. Р. (1999). LOV (свет, кислород или напряжение) домены фоторецептора синего света фототропина (nph2): сайты связывания для хромофорного мононуклеотида флавина. Proc. Natl. Акад. Sci. США 96, 8779–8783. DOI: 10.1073 / pnas.96.15.8779

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Дорф, Р.К. и Бишоп Р. Х. (2011). Современные системы управления . Лондон: Пирсон.

Google Scholar

Дреппер Т., Краусс У., Берстенхорст С. М. З., Пьетрушка Дж. И Йегер К. Э. (2011). Свет и действие! Контроль экспрессии микробных генов с помощью света. Прил. Microbiol. Biotechnol. 90, 23–40. DOI: 10.1007 / s00253-011-3141-6

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Фарзадфард Ф. и Лу Т. К. (2011). Синтетическая биология.Геномно закодированная аналоговая память с точной записью ДНК in vivo в популяциях живых клеток. Наука 346: 1256272. DOI: 10.1126 / science.1256272

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст

Фернандес-Родригес, Дж., Мозер, Ф., Сонг, М., и Фойгт, К. А. (2017). Инженерное цветовое видение RGB в Escherichia coli . Нат. Chem. Биол. 13, 706–708. DOI: 10.1038 / nchembio.2390

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Фуруя, А., Кавано, Ф., Накадзима, Т., Уэда, Ю., и Сато, М. (2017). Оптогенетическая система на основе сборочного домена для эффективного контроля клеточной передачи сигналов. ACS Synth. Биол. 6, 1086–1095. DOI: 10.1021 / acssynbio.7b00022

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Гайденко, Т. А., Ким, Т. Дж., Вейгель, А. Л., Броуди, М. С., и Прайс, К. В. (2006). Рецептор синего света YtvA действует в сигнальном пути стресса окружающей среды Bacillus subtilis . J. Bacteriol. 188, 6387–6395. DOI: 10.1128 / JB.00691-06

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Гамбетта, Г. А., и Лагариас, Дж. К. (2001). Генная инженерия биосинтеза фитохрома у бактерий. Proc. Natl. Акад. Sci. США 98, 10566–10571. DOI: 10.1073 / pnas.1

198

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Гарднер Т.С., ди Бернардо Д., Лоренц Д. и Коллинз Дж. Дж. (2003).Выявление генетических сетей и определение сложного механизма действия посредством профилирования экспрессии. Наука 301, 102–105. DOI: 10.1126 / science.1081900

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Герхард, К. П., Олсон, Э. Дж., Кастильо-Хаир, С. М., Хартсо, Л. А., Ландри, Б. П., Экнесс, Ф. и др. (2016). Открытая аппаратная платформа для оптогенетики и фотобиологии. Sci. Rep. 6: 35363. DOI: 10.1038 / srep35363

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Груш, М., Schelch, K., Riedler, R., Reichhart, E., Differ, C., Berger, W., et al. (2014). Пространственно-временная точная активация сконструированных рецепторных тирозинкиназ светом. EMBO J. 33, 1713–1726. DOI: 10.15252 / embj.201387695

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Хань Т., Цюань К. и Лю Х. (2016). Созданы фотоактивируемые генетические переключатели на основе РНК-полимеразы бактериального фага Т7. ACS Synth. Биол. 6, 357–366. DOI: 10.1021 / acssynbio.6b00248

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Хеннеманн, Дж., Ивасаки, Р. С., Грунд, Т. Н., Динстхубер, Р. П., Рихтер, Ф., и Мёглих, А. (2018). Оптогенетический контроль с помощью импульсного освещения. Chembiochem 19, 1296–1304. DOI: 10.1002 / cbic.201800030

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Хиросе Ю., Шимада Т., Нарикава Р., Катаяма М. и Икеучи М. (2008). Цианобактериохром CcaS представляет собой рецептор зеленого света, который индуцирует экспрессию линкерного белка фикобилисом. Proc. Natl. Акад. Sci. США 105, 9528–9533. DOI: 10.1073 / pnas.0801826105

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Джаяраман, П., Девараджан, К., Чуа, Т. К., Чжан, Х., Гунаван, Э., и По, К. Л. (2016). Опосредованная синим светом активация транскрипции и подавление экспрессии генов у бактерий. Nucleic Acids Res. 44, 6994–7005. DOI: 10.1093 / nar / gkw548

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Джаяраман, П., Йео, Дж. У., Джаяраман, С., Тэ, А. Ю., Чжан, Дж., И По, К. Л. (2018). Бесклеточная оптогенетическая система экспрессии генов. ACS Synth. Биол. 7, 986–994. DOI: 10.1021 / acssynbio.7b00422

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Jin, X., и Riedelkruse, I.H. (2018). Литография биопленок позволяет формировать клеточный паттерн с высоким разрешением посредством оптогенетической экспрессии адгезина. Proc. Natl. Акад. Sci. США 115, 3698–3703. DOI: 10.1073 / pnas.1720676115

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Юсяк, Б., Клето, С., Переспиньера, П., и Лу, Т. К. (2016). Разработка синтетических генных цепей в живых клетках с помощью технологии CRISPR. Trends Biotechnol. 34, 535–547. DOI: 10.1016 / j.tibtech.2015.12.014

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Кабернюк А.А., Шеметов А.А., Верхуша В.В. (2016). Оптогенетическая система на основе бактериального фитохрома, управляемая ближним инфракрасным светом. Нат. Методы 13, 591–597. DOI: 10,1038 / метр.3864

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Каинрат С., Стадлер М., Райххарт Э., Дистел М. и Яновьяк Х. (2017). Инактивация рецепторов, индуцированная зеленым светом, с использованием кобаламин-связывающих доменов. Angew. Chem. Int. Эд. Англ. 56, 4608–4611. DOI: 10.1002 / anie.201611998

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Кавано Ф., Судзуки Х., Фуруя А. и Сато М. (2015). Созданы пары отдельных фотопереключателей для оптогенетического контроля клеточных белков. Нат. Commun. 6: 6256. DOI: 10.1038 / ncomms7256

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Кучина А., Эспинар Л., Чагатай Т., Балбин А. О., Чжан Ф., Альварадо А. и др. (2011). Временная конкуренция между программами дифференцировки определяет выбор клеточной судьбы. Мол. Syst. Биол. 7: 557. DOI: 10.1038 / msb.2011.88

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Лауритсен, И., Мартинес, В., Ронда, К., Нильсен, А. Т., и Норхольм, М. Х. Х. (2018). «Стратегия редактирования бактериального генома для контроля транскрипции и стабильности белка» в Synthetic Metabolic Pathways. Методы молекулярной биологии , Vol. 1671, ред. М. К. Дженсен и Дж. Д. Кислинг (Нью-Йорк, Нью-Йорк: Humana Press), 27–37. DOI: 10.1007 / 978-1-4939-7295-1_3

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ли, Дж. М., Ли, Дж., Ким, Т., и Ли, С. К. (2013). Переключаемая экспрессия гена в Escherichia coli с использованием миниатюрного фотобиореактора. PLoS ONE 8: e52382. DOI: 10.1371 / journal.pone.0052382

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Левская А., Шевалье А. А., Табор Дж. Дж., Симпсон З. Б., Лавери Л. А., Леви М. и др. (2005). Синтетическая биология: инженерия Escherichia coli , чтобы увидеть свет. Природа 438, 441–442. DOI: 10.1038 / nature04405

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Левская, А., Вайнер, О. Д., Лим, В. А., Фойгт, К. А. (2009). Пространственно-временной контроль клеточной передачи сигналов с использованием переключаемого светом белкового взаимодействия. Природа 461, 997–1001. DOI: 10.1038 / nature08446

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Лю, К., и Такер, К. Л. (2017). Разработка генетически закодированных инструментов для оптогенетического контроля активности белков. Curr. Opin. Chem. Биол. 40, 17–23. DOI: 10.1016 / j.cbpa.2017.05.001

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Lv, S., Фанг, Дж., Дуан, Т., Фу, Л., Лю, Дж., И Ли, Х. (2017). Оптически контролируемые обратимые белковые гидрогели на основе фотопереключаемого флуоресцентного белка Dronpa. Chem. Commun. 53, 13375–13378. DOI: 10.1039 / C7CC06991J

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Magaraci, M. S., Veerakumar, A., Qiao, P., Amurthur, A., Lee, J. Y., Miller, J. S., et al. (2014). Разработка Escherichia coli для активируемого светом цитолиза клеток млекопитающих. ACS Synth.Биол. 3, 944–948. DOI: 10.1021 / sb400174s

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Мелендес, Дж., Патель, М., Оукс, Б. Л., Сюй, П., Мортон, П., и МакКлин, М. Н. (2014). Оптогенетический контроль в реальном времени концентрации внутриклеточного белка в культурах микробных клеток. Integr. Биол. 6, 366–372. DOI: 10.1039 / c3ib40102b

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Mettetal, J. T., Muzzey, D., Gómez-Uribe, C., и ван Ауденаарден, А. (2008). Частотная зависимость осмоадаптации у Saccharomyces cerevisiae . Наука 319, 482–484. DOI: 10.1126 / science.1151582

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Милиас-Аргейтис, А., Руллан, М., Аоки, С. К., Бухманн, П., и Хаммаш, М. (2016). Автоматизированное управление оптогенетической обратной связью для точного и надежного регулирования экспрессии генов и роста клеток. Нат. Commun. 7: 12546. DOI: 10.1038 / ncomms12546

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Milias-Argeitis, A., Summers, S., Stewart-Ornstein, J., Zuleta, I., Pincus, D., El-Samad, H., et al. (2011). In silico обратная связь для in vivo регуляции цепи экспрессии гена. Нат. Biotechnol. 29, 1114–1116. DOI: 10.1038 / nbt.2018

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Мияке К., Абэ К., Ферри С., Накадзима М., Накамура М., Йошида В. и др. (2014). Индуцируемая литическая система зеленого света для клеток цианобактерий. Biotechnol. Биотопливо 7:56. DOI: 10.1186 / 1754-6834-7-56

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Möglich, A., Ayers, R.A., and Moffat, K. (2009). Дизайн и сигнальный механизм светорегулируемых гистидинкиназ. J. Mol. Биол. 385, 1433–1444. DOI: 10.1016 / j.jmb.2008.12.017

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Мёглих, А.и Моффат К. (2007). Структурная основа светозависимой передачи сигналов в димерном домене LOV фотосенсора YtvA. J. Mol. Биол. 373, 112–126. DOI: 10.1016 / j.jmb.2007.07.039

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Мотта-Мена, Л. Б., Рид, А., Мэллори, М. Дж., Гланц, С., Вайнер, О. Д., Линч, К. В. и др. (2014). Оптогенетическая система экспрессии генов с быстрой кинетикой активации и деактивации. Нат. Chem. Биол. 10, 196–202.DOI: 10.1038 / nchembio.1430

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Мюллер К., Энгессер Р., Шульц С., Стейнберг Т., Томакиди П., Вебер К. С. и др. (2013). Мультихроматический контроль экспрессии генов млекопитающих и передачи сигналов. Nucleic Acids Res. 41: e124. DOI: 10.1093 / nar / gkt340

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Муззи Д., Гомес-Урибе К. А., Меттеталь Дж. Т. и ван Ауденаарден А. (2009).Системный анализ идеальной адаптации осморегуляции дрожжей. Ячейка 138, 160–171. DOI: 10.1016 / j.cell.2009.04.047

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Накадзима М., Абэ К., Ферри С. и Соде К. (2016). Разработка регулируемой светом системы восстановления клеток для нефотосинтезирующих бактерий. Microb. Cell Fact. 15:31. DOI: 10.1186 / s12934-016-0426-6

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Наш, А.I., McNulty, R., Shillito, M.E., Swartz, T.E., Bogomolni, R.A., Luecke, H., et al. (2011). Структурные основы фоточувствительности в бактериальном ДНК-связывающем белке свет-кислород-напряжение / спираль-поворот-спираль (LOV-HTH). Proc. Natl. Акад. Sci. США 108, 9449–9454. DOI: 10.1073 / pnas.1100262108

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Нильсен А. А., Сегалл-Шапиро Т. Х. и Фойгт К. А. (2013). Достижения в разработке генетических схем: новые биохимические процессы, глубокая разработка деталей и точная экспрессия генов. Curr. Opin. Chem. Биол. 17, 878–892. DOI: 10.1016 / j.cbpa.2013.10.003

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Нихонгаки, Ю., Фурухата, Ю., Отабэ, Т., Хасегава, С., Ёсимото, К., и Сато, М. (2017). Фотоактивируемые системы транскрипции на основе CRISPR-Cas9 для индукции дифференцировки нейронов. Нат. Методы 14, 963–966. DOI: 10.1038 / nmeth.4430

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Олендорф, Р., Видавски, Р., Эльдар, А., Моффат, К., и Меглих, А. (2012). От заката до рассвета: одноплазмидные системы для светорегулируемой экспрессии генов. J. Mol. Биол. 416, 534–542. DOI: 10.1016 / j.jmb.2012.01.001

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Олсон, Э. Дж., Хартсо, Л. А., Ландри, Б. П., Шрофф, Р., и Табор, Дж. Дж. (2014). Характеристика динамики бактериальных генных цепей с помощью оптически запрограммированных сигналов экспрессии генов. Нат. Методы 11: 449–455.DOI: 10.1038 / nmeth.2884

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Олсон, Э. Дж., И Табор, Дж. Дж. (2014). Методы оптогенетической характеристики позволяют преодолеть ключевые проблемы синтетической и системной биологии. Нат. Chem. Биол. 10, 502–511. DOI: 10.1038 / nchembio.1559

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Онг, Н. Т., и Табор, Дж. Дж. (2018). Миниатюрный датчик зеленого света E. coli с высоким динамическим диапазоном. Chembiochem 19, 1255–1258. DOI: 10.1002 / cbic.201800007

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Патил М., Дхар П. К. (2015). «Краткое введение в синтетическую биологию», в Systems and Synthetic Biology , ред. В. Сингх и П. Дхар (Dordrecht: Springer), 229–240. DOI: 10.1007 / 978-94-017-9514-2_12

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Пу, Л., Ян, С., Ся, А., и Цзинь, Ф. (2018). Манипуляции с оптогенетикой позволяют предотвратить образование биопленок из искусственно созданной синегнойной палочки Pseudomonas aeruginosa на поверхностях. ACS Synth. Биол. 7, 200–208. DOI: 10.1021 / acssynbio.7b00273

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Qi Lei, S., Larson Matthew, H., Gilbert Luke, A., Doudna Jennifer, A., Weissman Jonathan, S., Arkin Adam, P., et al. (2013). Использование CRISPR в качестве управляемой РНК платформы для последовательного контроля экспрессии генов. Cell 152, 1173–1183. DOI: 10.1016 / j.cell.2013.02.022

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Рамакришнан, П., и Табор, Дж. Дж. (2016). Повторное использование Synechocystis PCC6803 UirS-UirR в качестве УФ-фиолетового / зеленого фотообратимого инструмента регуляции транскрипции у E. coli. ACS Synth. Биол. 5, 733–740. DOI: 10.1021 / acssynbio.6b00068

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Рэй, Дж. К., Табор, Дж. Дж., И Игошин, О. А. (2011). Нетранскрипционные регуляторные процессы формируют динамику транскрипционной сети. Нат. Rev. Microbiol. 9, 817–828. DOI: 10.1038 / nrmicro2667

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Редчук, Т.А., Кабернюк А.А., Верхуша В. (2018а). Системы с контролем в ближнем инфракрасном диапазоне для регуляции транскрипции генов, нацеливания на белки и спектрального мультиплексирования. Нат. Protoc. 13, 1121–1136. DOI: 10.1038 / nprot.2018.022

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Редчук Т.А., Карасев М.М., Омелина Е.С., Верхуша В. (2018b). Экспрессия генов и нацеливание на белок в нейронах и ненейрональных клетках, контролируемых светом ближнего инфракрасного диапазона. Chembiochem 19, 1334–1340. DOI: 10.1002 / cbic.201700642

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Редчук Т.А., Омелина Е.С., Чернов К.Г., Верхуша В.В. (2017). Оптогенетическая пара ближнего инфракрасного диапазона для регуляции белков и спектрального мультиплексирования. Нат. Chem. Биол. 13, 633–639. DOI: 10.1038 / nchembio.2343

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ренике, К., Шустер, Д., Ушеренко, С., Эссен, Л. О., Таксис, К. (2013). Оптогенетический инструмент на основе домена LOV2 для контроля деградации белка и клеточной функции. Chem. Биол. 20, 619–626. DOI: 10.1016 / j.chembiol.2013.03.005

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Репина, Н. А., Розенблум, А., Мукерджи, А., Шаффер, Д. В., и Кейн, Р. С. (2017). Со скоростью света: достижения в области оптогенетических систем для регулирования передачи сигналов и поведения клеток. Annu. Rev. Chem. Biomol. Англ. 8, 13–39. DOI: 10.1146 / annurev-chembioeng-060816-101254

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ривера-Кансел, Г., Моттамена, Л. Б., и Гарднер, К. Х. (2015). Идентификация естественных и искусственных ДНК-субстратов для светоактивированного фактора транскрипции LOV-HTH EL222. Биохимия 51, 10024–10034. DOI: 10.1021 / bi301306t

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Рост, Б. Р., Шнайдер-Варме, Ф., Шмитц Д., Хегеманн П. (2017). Оптогенетические инструменты для субклеточных приложений в нейробиологии. Нейрон 96, 572–603. DOI: 10.1016 / j.neuron.2017.09.047

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ryu, M.H., Kang, I.H., Nelson, M.D., Jensen, T.M., Lyuksyutova, A.I., Siltberg-Liberles, J., et al. (2014). Инженерные аденилатциклазы, регулируемые оконным светом ближнего инфракрасного диапазона. Proc. Natl. Акад. Sci. США 111, 10167–10172.DOI: 10.1073 / pnas.1324301111

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Шмидл С. Р., Шет Р. У., Ву А. и Табор Дж. Дж. (2014). Рефакторинг и оптимизация двухкомпонентных систем с переключаемым светом Escherichia coli . ACS Synth. Биол. 3, 820–831. DOI: 10.1021 / sb500273n

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ши, Ф., Кавано, Ф., Парк, С. Э., Комазаки, С., Хирабаяси, Ю., Полле, Ф., и другие. (2017). Оптогенетический контроль связывания эндоплазматического ретикулума и митохондрий. ACS Synth. Биол. 7, 2–9. DOI: 10.1021 / acssynbio.7b00248

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Симидзу, Т.С., Ту, Ю., и Берг, Х.С. (2010). Модульная градиентно-чувствительная сеть для хемотаксиса в Escherichia coli , выявленная по ответам на изменяющиеся во времени стимулы. Мол. Syst. Биол. 6: 382. DOI: 10.1038 / msb.2010.37

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Сонг, Дж.Ю., Парк Ю. И. (2011). Сигнальная система цианобактериохромов в ближнем УФ-диапазоне вызывает отрицательный фототаксис у цианобактерий Synechocystis sp. PCC 6803. Proc Natl Acad Sci U.S.A. 108, 10780–10785. DOI: 10.1073 / pnas.1104242108

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Табор, Дж. Дж., Салис, Х. М., Симпсон, З. Б., Шевалье, А. А., Левская, А., Маркотт, Э. М. и др. (2009). Программа обнаружения синтетических генетических краев. Cell 137, 1272–1281.DOI: 10.1016 / j.cell.2009.04.048

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Темме К., Чжао Д. и Фойгт К. А. (2012). Рефакторинг кластера генов фиксации азота из Klebsiella oxytoca. Proc. Natl. Акад. Sci. США 109, 7085–7090. DOI: 10.1073 / pnas.1120788109

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Тоетчер, Дж. Э., Гонг, Д., Лим, В. А., и Вайнер, О. Д. (2011). Световая обратная связь для управления динамикой внутриклеточной сигнализации. Нат. Методы 8, 837–839. DOI: 10.1038 / Nmeth.1700

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ушеренко С., Стиббе Х., Муско М., Эссен Л. О., Костина Е. А., Таксис К. (2014). Фоточувствительные варианты дегрона для настройки стабильности белка с помощью света. BMC Syst. Биол. 8: 128. DOI: 10.1186 / s12918-014-0128-9

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Вэнс В., Аркин А. и Росс Дж. (2002).Определение причинной связи видов в реакционных сетях. Proc. Natl. Акад. Sci. США 99, 5816–5821. DOI: 10.1073 / pnas.022049699

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Вишной, М., Нарула, Дж., Деви, С. Н., Дао, Х. А., Игошин, О. А., и Фудзита, М. (2013). Запуск споруляции в Bacillus subtilis с помощью искусственных двухкомпонентных систем показывает важность правильной динамики активации Spo0A. Мол. Microbiol. 90: 181–194. DOI: 10.1111 / mmi.12357

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Визныичай, Г., Франжипане, Г., Магги, К., Саглимбени, Ф., Бьянки, С., и Ди Леонардо, Р. (2017). Трехмерные микродвигатели с управляемым светом, работающие на бактериях. Нат. Commun. 8: 15974. DOI: 10.1038 / ncomms15974

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Уолтер Дж. М., Гринфилд Д., Бустаманте К. и Липхардт Дж. (2007). Светосила Escherichia coli с протеородопсином. Proc. Natl. Акад. Sci. США 104, 2408–2412. DOI: 10.1073 / pnas.0611035104

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ван, Р., Ян, З., Ло, Дж., Син, И. М., и Сунь, Ф. (2017). B12-зависимые светочувствительные белковые гидрогели для контролируемого высвобождения стволовых клеток / белка. Proc. Natl. Акад. Sci. США 114, 5912–5917. DOI: 10.1073 / pnas.1621350114

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Уэй, Дж.К., Коллинз, Дж. Дж., Кислинг, Дж. Д., Сильвер, П. А. (2014). Интегрирующий биологический редизайн: откуда пришла синтетическая биология и куда она должна идти. Cell 157, 151–161. DOI: 10.1016 / j.cell.2014.02.039

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Wu, Y. I., Frey, D., Lungu, O. I., Jaehrig, A., Schlichting, I., Kuhlman, B., et al. (2009). Генетически кодируемый фотоактивируемый Rac контролирует подвижность живых клеток. Природа 461, 104–108.DOI: 10.1038 / nature08241

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Янг, X., Йост, А. П., Вайнер, О. Д., Тан, К., и Друбин, Д. Г. (2013). Индуцируемая светом система нацеливания на органеллы для динамической активации и инактивации передачи сигналов у почкующихся дрожжей. Мол. Биол. Cell 24, 2419–2430. DOI: 10.1091 / mbc.e13-03-0126

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Янг, Дж. У., Локк, Дж. К., и Эловиц, М.Б. (2013). Скорость изменения окружающей среды определяет специфичность стрессовой реакции. Proc. Natl. Акад. Sci. США 110, 4140–4145. DOI: 10.1073 / pnas.1213060110

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ю. Г., Хироюки О., Юки А., Фуун К., Йошибуми У., Акихиро Ф. и др. (2016). Оптические манипуляции с альфа-субъединицами гетеротримерных G-белков с использованием систем димеризации с возможностью фотопереключения. Sci. Rep. 6: 35777. DOI: 10.1038 / srep35777

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Юмерефенди, Х., Lerner, A.M., Zimmerman, S.P., Hahn, K., Bear, J.E., Strahl, B.D., et al. (2016). Индуцированный светом ядерный экспорт выявляет быструю динамику эпигенетических модификаций. Нат. Chem. Биол. 12, 399–401. DOI: 10.1038 / nchembio.2068

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Заславер А., Майо А. Э., Розенберг Р., Башкин П., Сберро Х., Цалюк М. и др. (2004). Своевременная программа транскрипции метаболических путей. Нат. Genet. 36, 486–491.DOI: 10,1038 / ng1348

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Zhao, E.M., Zhang, Y., Mehl, J., Park, H., Lalwani, M.A., Toettcher, J.E., et al. (2018). Оптогенетическая регуляция инженерного клеточного метаболизма для микробного химического производства. Природа 555, 683–687. DOI: 10.1038 / nature26141

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Чжоу, X. X., Чунг, Х. К., Лам, А. Дж., И Лин, М. З. (2012). Оптический контроль активности белков с помощью флуоресцентных белковых доменов. Наука 338, 810–814. DOI: 10.1126 / science.1226854

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Золтовски Б. Д., Мотта-Мена Л. Б. и Гарднер К. Х. (2013). Индуцированная синим светом димеризация бактериального ДНК-связывающего белка LOV-HTH. Биохимия 52, 6653–6661. DOI: 10.1021 / bi401040m

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Zoltowski, B.D., Schwerdtfeger, C., Widom, J., Loros, J.J., Bilwes, A.М., Данлэп, Дж. С. и др. (2007). Конформационное переключение в датчике грибковой освещенности Vivid. Наука 316, 1054–1057. DOI: 10.1126 / science.1137128

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Датчики света

Правильное количество света … и повышенная экономия энергии

Полное освещение и без того хорошо освещенного участка означает потерю энергии и большие счета за электроэнергию. Датчики света Unison Paradigm — разумный способ решить эту проблему и снизить энергозатраты в вашей системе освещения.Датчики задействуют передовые возможности Paradigm по сбору дневного света, используя доступное естественное освещение области и уменьшая мощность осветительных приборов.

Универсальность, сочетающая в себе

Датчики света Paradigm имеют нейтральный внешний вид, который легко гармонирует с окружающей средой. Их можно установить на различные распределительные коробки или даже на потолочную плитку с помощью проволочной стяжки, которая устанавливается без задней коробки.

Готово к работе

Датчики готовы к работе в своей стандартной форме, или вы можете отсоединить головку датчика RemoLux ™ для использования в качестве удаленного устройства на расстоянии до 1000 футов от станции главного контроллера.Он идеально подходит для атриумов и других помещений с высокими потолками — просто поместите датчик в удобное место и прикрепите головку в любом месте с помощью стандартного полудюймового разъема. Имея степень защиты IP65 для использования в любых погодных условиях и во влажных помещениях, головку можно устанавливать даже на открытом воздухе.

В режиме DuaLux ™ две головки также могут быть подключены к одной станции контроллера. Контроллер автоматически усредняет значения освещенности от каждой головки, передавая одно значение обратно в Paradigm. Одна из головок может использоваться локально, а другая — удаленно на расстоянии до 1000 футов, или обе головки могут быть удалены на расстояние до 1000 футов, что еще больше расширяет зону действия датчика освещенности Paradigm.

Датчики света Paradigm предоставляют простые элементы управления на своем лице, включая служебную кнопку и кнопку настройки. Дополнительный контроль можно получить удаленно с помощью программного обеспечения LightDesigner, если вы используете датчики как часть более крупной системы Paradigm. Они предлагают автоматическое усреднение значения освещенности, а также могут обеспечивать простое обнаружение света для включения / выключения. Датчики работают с шиной LinkConnect.

Характеристики продукта

• Контроллер датчика со встроенным датчиком освещенности или без него
• RemoLux: датчик освещенности может быть установлен в корпусе контроллера или удаленно
  • Удаленные датчики подключаются с помощью двух проводов # 16AWG
  • Включен наполнитель для приложений с удаленной головкой
• DuaLux: Поддерживает до двух датчиков для среднего уровня освещенности на больших площадях
  • Диапазон от 1 до 64 000 люкс
  • Чувствительность автоматически регулируется в зависимости от текущего показания
• Одинарный датчик освещенности для использования в помещении, на улице и в атриуме
• Питание от LinkConnect; не требуется AUX
• Каждый контроллер считается одной станцией (удаленные головки не учитываются)
• Настраивается с помощью LightDesigner
• Доступен в белом и черном цвете
• Может быть установлен на любой стандартный электрический шкаф, потолочную или потолочную плитку
• Внесены в списки UL и cUL , Маркировка CE

Датчики света — Сенсорная технология

Представление датчика света

Датчики света создают выходной сигнал, указывающий интенсивность света, путем измерения энергии излучения, которая существует в очень узком диапазоне частот, называемом светом.Он преобразует световую энергию в выходной электрический сигнал. Они также известны как фотоэлектрические устройства или фотодатчики, поскольку фотоны преобразуются в электроны. [1]

Датчики света можно разделить на две категории в зависимости от выходной мощности: один датчик, который преобразует световую энергию в электрическую энергию, и те, которые каким-либо образом изменяют свои электрические свойства, например фоторезисторы или проводники. По мощности датчики можно разделить на следующие устройства. [1]

Датчики, которые высвобождают свободные электроны из светочувствительного материала, такого как цезий, при введении фотона достаточной энергии.Чем выше частота, тем выше будет энергия, которой обладает фотон. [2]

Рис. 1: Фототрубка работает по принципу фотоэмиссионных ячеек, которые выделяют электроны при попадании света.

Эти датчики изменяют свое электрическое сопротивление при попадании света. Фотопроводимость возникает в результате попадания света в виде полупроводникового материала, который контролирует ток, протекающий через него. Наиболее распространенные фотопроводящие материалы Сульфид кадмия, используемый в фотоэлементах LDR.Фотопроводящий датчик света не производит электричество, но меняет свои физические свойства при попадании на свет. Фоторезистор — это часто используемые устройства, которые изменяют свое электрическое сопротивление в ответ на изменение интенсивности света. [3]

Рисунок 2: Фоторезизор. Он меняет сопротивление с изменением силы света.

Когда принимается лучистая световая энергия, это устройство генерирует ЭДС и по своему действию аналогично фотопроводимости.Световая энергия падает на два полупроводниковых материала, соединенных вместе, создавая напряжение 0,5 В. Селен обычно используется в фотоэлектрических материалах в солнечных элементах. [3]

Рисунок 3: Фотоэлементы или обычно известные как солнечные элементы

Эти устройства используют свет для управления потоком электронов и дырок через их PN-переход. Эти устройства в основном предназначены для применения в детекторах и проникновении света, а их спектральный отклик настроен на длину волны падающего света.[3]

Фотоэлектрический датчик состоит в основном из 5 компонентов, источника света, детектора света, линз, логической схемы и выхода. Однако в этой теме мы сосредоточимся на источнике света и детекторе света. Источник света в основном состоит из светодиода или лазерного диода.

Из-за низкой цены и доступности в большинстве устройств в качестве источника света используются светодиоды. Светодиод (светоизлучающий диод) — это полупроводник, который излучает свет, когда через них проходит ток.

Рисунок 4: Конструкция светодиода

Светодиод состоит из состояния и состояния p. Когда ток проходит через светодиод, электроны с одной стороны возбуждаются и пытаются перейти в следующее состояние, теряют фотон и возвращаются в исходное состояние. Этот фотон — это свет, излучаемый светодиодом. Цвет светодиода зависит от длины волны излучаемого света.

Самым большим преимуществом использования светодиода является его способность быстро включаться и выключаться.Это позволяет создавать разные импульсы источника. Количество света, производимого светодиодом, зависит от протекающего через него тока. Чем больше ток, тем выше диапазон излучаемого света. Однако больший ток может также повредить светодиод из-за выделяемого им чрезмерного тепла.

Однако в настоящее время лазерные диоды широко используются благодаря своим уникальным характеристикам, которые включают постоянную длину волны излучаемого света, малый диаметр луча и большой радиус действия [4].

Детектор света — это компонент, используемый для обнаружения света, испускаемого источником света.Их обычно называют фотодиодами или фототранзисторами. Благодаря своей способности воспринимать различные световые импульсы они известны как приемники. Лучшее применение — приемник передачи данных по оптическому волокну. Связанный с ним транспондер преобразует свет, воспринимаемый этими детекторами, в электрические импульсы.

Рисунок 5: Спектральный отклик светового детектора

Спектральный отклик светового детектора определяет его чувствительность к разным длинам волн в световом спектре.Таким образом, для повышения чувствительности согласовываются спектры источника и детектора.

Эти световые датчики имеют широкий спектр применения, в зависимости от типа, который работает немного по-другому. Однако они используются для обнаружения света. Датчики такого типа имеют различные научные применения, но они также встречаются у людей в повседневной жизни: они используются в компьютерах, телевизорах и современных смартфонах. Эти устройства используют датчики внешней освещенности, чтобы изменять яркость экрана в зависимости от окружающего освещения.

Например, фотоэлемент или фоторезистор используются в потребительских товарах для измерения интенсивности света. В дверях охранной сигнализации или лифта установлены датчики света. Эти датчики посылают свет от одного датчика к другому, если свет прерывается, включается сигнализация или открывается дверь лифта. [5]

Рисунок 6: Сканер штрих-кода. Они используют датчики света.

Сканер штрих-кода или код быстрого ответа (QR) используют световые датчики. Свет сканера освещает штрих-код, который считывается и декодируется датчиком.

В телевизоре используются пульты дистанционного управления с датчиками инфракрасного света или технологиями инфракрасного света.

Телекоммуникации используют светоизлучающие диоды для преобразования электрических импульсов в световые импульсы и передачи их в оптическое волокно. На стороне приемника фотодиод воспринимает световой импульс и преобразует его в электрический сигнал. Эта волоконно-оптическая технология несколько лет назад сделала передачу данных самой быстрой, которую не мог себе представить человек.

Следовательно, датчики света находят широкое применение в научных приложениях и в бытовых устройствах.Они играли жизненно важную роль в реализации мечты об умных домах или умных системах, о которых мечтает человечество. [5]

1. Типы световых датчиков и введение.

URL: http://www.electronics-tutorials.ws [Интернет]. Дата обращения 20.3.2014

2. Общее представление о датчиках света.

URL: http://www.skyeinstruments.com [Интернет]. Дата обращения 20.3.2014

3. Введение и перечень датчиков.

URL: http: // en.wikipedia.org [Интернет]. Дата обращения 20.3.2014

4. Датчик освещенности. Wisegeek,

URL: http: //www.wisegeek.org/what-is-a-light-sensor.htm [Online], дата обращения 27.3.2014

5. Фото конструкции электрического датчика, Rockwell Automation

URL: http://www.ab.com/en/epub/catalogs/12772/6543185/12041221/12041223/Photoelectric-Sensor-Construction.html [Online], дата обращения 27.

Войдите, чтобы комментировать.

, 2020-2027 гг.

Объем мирового рынка световых датчиков оценивается в 2,85 миллиарда долларов США в 2019 году и, как ожидается, будет расти со среднегодовым темпом роста (CAGR) 10,9% с 2020 по 2027 год. Основными факторами, определяющими спрос на датчики света, являются все более широкое использование бытовая электроника, миниатюризация датчиков и растущий спрос на использование возобновляемых источников энергии.Кроме того, ожидается, что развитие умных домов, наружного освещения и автомобильного сектора будет стимулировать рост рынка. Последние достижения в сенсорных технологиях были вызваны недорогими и высокоскоростными электронными схемами, передовыми производственными технологиями и инновационными методами обработки сигналов. Эти новые разработки в этой области предоставили многообещающие технические решения, тем самым повысив надежность, качество и экономическую эффективность технических продуктов.

Такие факторы, как способность к мультиплексированию, невосприимчивость к электромагнитным помехам и превосходная чувствительность, делают световые детекторы предпочтительной технологией в различных секторах, таких как здравоохранение, аэрокосмическая промышленность, автомобилестроение и бытовая электроника.Ожидается, что все эти факторы будут стимулировать рост рынка в течение прогнозируемого периода.

Световые датчики стали широко используемым компонентом в новых технологических инновациях и приложениях умного города, часто поддерживаемые технологиями машинного обучения (ML) и искусственного интеллекта (AI). Ожидается, что рынок станет свидетелем перспектив роста в различных отраслевых вертикалях из-за роста промышленной автоматизации, всплеска Интернета вещей и подключенных устройств, а также достижений в телекоммуникационной отрасли.Применение фотоники уже влияет на инфраструктуру умного города с точки зрения сенсорных технологий, интеллектуального освещения и коммуникационных технологий. Между тем, другие развивающиеся технологии, такие как наноразмерная фотоника, также демонстрируют высокий спрос на инфраструктуру умного города, тем самым повышая спрос на световые датчики.

Миниатюризация и усовершенствование сенсорных технологий привели к увеличению спроса на интеллектуальную электронику, такую ​​как светодиодные телевизоры, смартфоны и интеллектуальные системы освещения, по всему миру.В основе этих устройств лежат различные сенсорные технологии и интерфейсы связи. Внедрение подключенных устройств и коммуникационных технологий 5G, вероятно, будет способствовать использованию различных датчиков в различных отраслях промышленности. Кроме того, оптические датчики широко используются в носимой электронике как в коммерческой, так и в бытовой сфере.

находят применение в широком спектре приложений благодаря таким функциям, как повышенный комфорт, безопасность и автоматизация. Постоянное повышение качества и надежности устройств обнаружения освещения привело к усилению конкуренции на рынке.Однако рост стоимости инноваций в разработке и производстве датчиков создает проблемы для рынка. Кроме того, пандемия COVID-19 затруднила мировую экономику и нарушила глобальные цепочки поставок, тем самым вызвав краткосрочную неопределенность на рынке. Эти проблемы необходимо преодолевать с помощью инновационных подходов и решений, учитывая будущий спрос на светочувствительные приложения в различных отраслях промышленности.

Сегмент обнаружения приближения лидировал на рынке в 2019 году и насчитывал около 30 единиц.0% доля в общемировом доходе. Рост этого сегмента можно объяснить его широким использованием в автомобильном и промышленном производстве. Датчики приближения реагируют на изменения инфракрасного света, чтобы определять движение или близость к другим объектам. Они обычно используются в транспортных средствах для оповещения водителей о приближении транспортного средства к другим объектам. Более того, они широко используются в уличном освещении для обнаружения движений в целях безопасности.

Ожидается, что сегмент датчиков внешнего освещения будет расти значительными темпами из-за растущего спроса на электронную продукцию.Датчики света стали важным элементом бытовой электроники для удовлетворения разнообразных дизайнерских потребностей. Более того, технология обнаружения окружающего света приобретает все большее значение в связи с ее растущим применением в интеллектуальной электронике. Это очень важно, поскольку детекторы света помогают регулировать яркость ЖК- и светодиодных экранов в соответствии с количеством окружающего света. Они также экономят энергию и предлагают пользователям соответствующую яркость экрана.

С точки зрения выручки, на сегмент бытовой электроники приходится наибольшая доля — более 35 единиц.0% в 2019 году из-за растущего спроса на электронные товары и их полезности среди потребителей. На светочувствительные устройства наблюдается рост спроса со стороны таких приложений, как смартфоны, ЖК / светодиодные телевизоры и ноутбуки. Датчики выполняют функцию автоматического регулирования яркости экрана в зависимости от количества солнечного света, получаемого этими устройствами, что позволяет экономить электроэнергию. Современные платформы освещения IoT также сосредоточены на управлении освещением с помощью различных цифровых чувствительных элементов, включая датчики освещенности.

Сектор здравоохранения стремительно развивается, что, в свою очередь, стимулирует использование передовых инструментов, оснащенных датчиками света. Датчики света широко используются в медицине для обнаружения патогенов, контроля уровня кислорода у пациентов (пульсоксиметры) и диагностики крови. Более того, в индустрии медицинского оборудования растет спрос на интегрированные оптоэлектронные датчики. Эти события, вероятно, будут стимулировать рост рынка в сфере здравоохранения в течение прогнозируемого периода.

Исходя из результатов, цифровой сегмент доминировал на рынке с долей более 55,0% в 2019 году. В таких приложениях, как отопление, вентиляция и кондиционирование, управление освещением или система контроля температуры, параметры управления необходимо настраивать на основе интенсивность окружающего света. Цифровые детекторы света приобрели большое значение в таких условиях. С увеличением использования экранных устройств, таких как ноутбуки, сотовые телефоны и телевизоры, сегмент цифровых световых датчиков, вероятно, станет свидетелем значительного роста в ближайшие годы.

Благодаря технологическому прогрессу, различные оптические датчики доступны в небольших упаковках по разумным ценам. Цифровые решения увеличили полезность и диапазон детекторов внешнего освещения. Кроме того, аналого-цифровые датчики света предлагают фильтры блокировки ИК-излучения, функцию прерывания и интерфейс I2C, предназначенный для управления задней подсветкой и определения внешнего освещения. Поскольку энергосбережение стало важной функцией в некоторых устройствах, ожидается, что в ближайшие годы использование цифровых датчиков света будет и дальше расти.

Азиатско-Тихоокеанский регион доминировал на рынке с долей более 30,0% в 2019 году благодаря растущему населению и растущему спросу на смартфоны и бытовую электронику. Более того, ожидается, что растущее число портативных устройств со встроенными датчиками света будет стимулировать рост рынка. Строгие правительственные постановления о безопасности потребителей в развивающихся странах, таких как Индия и АСЕАН, побудили производителей автомобилей включать больше детекторов в автомобили среднего сегмента.Ожидается, что эти факторы будут стимулировать спрос на датчики света в Азиатско-Тихоокеанском регионе в течение прогнозируемого периода.

Ожидается, что в течение прогнозируемого периода в Северной Америке будет наблюдаться значительный рост благодаря раннему внедрению решений для обнаружения света. Для регионального рынка характерно большое количество вендоров, таких как Analog Devices, Inc .; Broadcom Inc .; и Maxim Integrated Products Inc., которые активно внедряют инновации и разрабатывают датчики. В то время как США остаются мировым лидером в разработке датчиков и НИОКР, большая часть производства приходится на Азиатско-Тихоокеанский регион.По прогнозам, эта тенденция сохранится в течение следующего десятилетия. Однако глобальная геополитическая нестабильность, особенно в отношении торговой политики, вынудила промышленность США принять новые стратегии, чтобы опережать конкурентов.

Рынок фрагментирован с большим количеством заинтересованных сторон по всей цепочке создания стоимости. Консолидация производителей датчиков, системных интеграторов и дистрибьюторов является ключевой тенденцией, наблюдаемой на рынке, которая, вероятно, будет стимулировать рост рынка.Существенные консолидации привели к образованию крупных промышленных конгломератов и холдингов в результате слияний и поглощений за последние несколько десятилетий. В попытке достичь критической массы принимаются новые стратегии за счет технической и маркетинговой синергии в рамках различных бизнес-моделей. Более того, различные компании и стартапы в индустрии интеллектуального света, вероятно, увеличат конкуренцию между производителями датчиков, чтобы удовлетворить растущий спрос.

В июле 2020 года компания AMS AG запустила модуль обнаружения приближения и встроенный датчик внешней освещенности, которые позволят производителям оригинального оборудования (OEM) мобильных телефонов разрабатывать мобильные устройства с дисплеями практически без рамки.Модуль (TMD2755) на 60% меньше по объему и на 40% по площади по сравнению с другими устройствами, доступными на рынке. Более того, позволяя разместить функции светочувствительности и приближения в более узкой рамке, TMD2755 поддерживает усилия производителей мобильных телефонов по увеличению видимой области дисплея. Это считается ключевым фактором в повышении интереса потребителей к мобильным телефонам в среднем сегменте рынка. Некоторые известные игроки на мировом рынке датчиков освещенности:

• AMS AG

• Analog Devices, Inc.

• Broadcom Inc.

• Elan Microelectronic Corp.

• Everlight Electronics Co. Ltd.

• Maxim Integrated Products Inc.

• ROHM Co. Ltd.

• Самсунг Электроникс Ко. Лтд.

• Корпорация Sharp

• Sitronix Technology Corporation

• STMicroelectronics NV

• Vishay Intertechnology Inc.

В этом отчете прогнозируется рост выручки на глобальном, региональном и страновом уровнях, а также приводится анализ последних отраслевых тенденций и возможностей в каждом из подсегментов с 2016 по 2027 год. Для целей данного исследования Grand View Research разделила отчет о мировом рынке датчиков освещенности на основе функций, мощности, конечного использования и региона:

• Функциональный прогноз (выручка, млн долларов США, 2016-2027 гг.)

  • Обнаружение окружающего света

  • Обнаружение сближения

  • Датчик цвета RGB

  • Распознавание жестов

  • ИК-обнаружение

• Прогноз выпуска ( Выручка, млн долларов США, 2016-2027 гг.)

• Перспективы конечного использования ( Выручка, млн долларов США, 2016-2027 гг.)

  • Автомобильная промышленность

  • Бытовая электроника

  • Промышленное

  • Здравоохранение

  • Прочие

• Региональный прогноз (выручка, млн долларов США, 2016-2027 гг.)

  • Северная Америка

  • Европа

  • Азиатско-Тихоокеанский регион

  • Латинская Америка

  • MEA

Часто задаваемые вопросы об этом отчете

г.Объем мирового рынка световых датчиков оценивался в 2,84 миллиарда долларов США в 2019 году и, как ожидается, достигнет 3,09 миллиарда долларов в 2020 году.

г. Ожидается, что в период с 2020 по 2027 год на мировом рынке датчиков света будет наблюдаться совокупный годовой рост на 10,9%, который к 2027 году достигнет 6,39 млрд долларов США.

г. Датчики приближения лидируют на рынке световых датчиков и в 2019 году на их долю приходилось около 30% мировой выручки. Рост числа датчиков можно объяснить их растущим применением в автомобильном и промышленном производстве.

г. Некоторыми ключевыми игроками, работающими на рынке световых датчиков, являются AMS AG, STMicroelectronics, Sharp Corporation и Samsung Electronics Co. Ltd. Некоторые другие игроки на рынке включают Analog Devices, Inc., Broadcom Inc., Elan Microelectronic Corp, Everlight Electronics. Co. Ltd., Maxim Integrated Products Inc., ROHM Co. Ltd., Sitronix Technology Corporation и Vishay Intertechnology Inc.