生物振蕩網絡作為生命體的內稟時鐘,調節各種與時間信息相關的生命過程,因此需要在減小計時漲落的同時,保持對環境信號的敏感性。 對于處于熱力學平衡態的系統,漲落耗散定理表明,高響應與低漲落不可能同時完成。但是生命系統處于非平衡態,并沒有漲落耗散定理的約束。對于振蕩網絡這一非平衡態系統,如何保持高敏感性和精確性,以及對應的熱力學的設計原理,是一個重要的利用物理原理理解生命系統的基本問題。
歐陽頎教授研究組與美國IBM沃森研究中心的涂豫海教授(北京大學物理學院/定量生物學中心教授)展開合作,首次從理論上揭示了生化反應網絡優化振蕩功設計原則。研究發現,通過增加系統的自由能耗散,振蕩的計時精確性增加,這與之前的研究相符;更重要的是,耗散的增加還能夠增強系統對于外界信號的響應,兩者呈正比關系。通過對簡單模型的解析發現,額外的自由能耗散可以加強振蕩相位與振幅的耦合,借此來增強對信號的響應,從而打破了平衡態的漲落響應關系。為了同時達到高敏感性和精確性,系統需要精細的分配參與反應的非平衡環路中的自由能耗散。研究基于化學勢與反應流提出了兩條重要的能量分配原則,并在相關實驗數據分析中得到驗證。
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