Nonlinear Protein Degradation and the Function of Genetic Circuits
大多数遗传电路的功能需要电路组件具有足够程度的协同性。虽然协作机制在转录起始控制的背景下得到了最广泛的研究，但参与电路操作的其他过程的协作也可以发挥重要作用。在这项研究中，我们研究了一个简单的动力学来源的多聚体蛋白质的非线性降解的协同性。大量的实验证据表明，蛋白质亚基在多聚体复合物中结合时降解速度较慢，这种效应我们称为协同稳定性。对于二聚体转录因子，这种效应导致降解速率的浓度依赖性，因为在低浓度下占优势的单体将更快地降解。因此，协同稳定性可以有效地拓宽体内蛋白质水平的可达范围。通过对细菌中两个示例性遗传电路的理论分析，我们表明，这种增加的范围对于遗传电路的鲁棒操作以及它们的可进化性是重要的。我们的计算表明，单体和二聚体的降解速率之间的几倍差异已经可以大大提高这些电路的功能。这些结果表明，合作的稳定性需要明确考虑和定量的特点，在任何系统的实验或理论研究的基因电路。
2005-01-03 q-bio.BM q-bio.MN
First-principles prediction of the information processing capacity of a simple genetic circuit
鉴于基因表达的随机性，遗传上相同的细胞暴露于相同的环境输入将产生不同的输出。这种异质性已经被假设为对细胞如何能够在不断变化的环境中生存具有影响。最近的工作探索了使用信息论作为一个框架，以了解细胞可以确定其周围环境的状态的准确性。然而，这些方法的预测能力是有限的，并没有经过严格的测试，使用精确的测量。为此，我们为一个简单的遗传电路生成一个最小模型，其中模型的所有参数值都来自独立发布的数据集。然后，我们预测的信息处理能力的遗传电路的一套生物物理参数，如蛋白质拷贝数和蛋白质-DNA亲和力。我们将这些无参数的预测与蛋白质表达分布的实验测定以及E. coli细胞。我们发现，我们的最小模型捕捉到的数据和推断的信息处理能力，我们的简单的遗传电路的系统偏差的细胞到细胞的变异的缩放。
2020-05-07 q-bio.MN q-bio.SC
Designing sequential transcription logic: a simple genetic circuit for conditional memory
学习和对重复事件做出反应的能力取决于记住过去接收到的短暂生物信号的能力。此外，可能希望记住或忽略这些瞬态信号，这些瞬态信号以在特定时间点或在独特环境中活动的其他信号为条件。在这里，我们提出了一个简单的遗传电路在细菌中，是能够有条件地记忆信号的形式的转录因子浓度。该电路的行为类似于电子电路中的“数据锁存器”，即，它仅在由“读取命令”调节时读取和存储输入信号。我们的电路是由两个相互抑制的基因组成的众所周知的遗传拨动开关（无条件闩锁）的大小相同，但补充了一个“监管前端”，涉及蛋白质异源二聚化作为一种简单的方式来实现条件控制。电路动力学的确定性和随机性分析表明，实验实现是可行的，基于良好的特征基因和蛋白质。分子网络在何种程度上能够有条件地存储细菌在自然环境中的信息尚不清楚。然而，我们的研究结果表明，这样的顺序逻辑元件可以很容易地实现细胞通过现有的蛋白质相互作用和简单的转录调控的组合。
2010-09-16 q-bio.MN
The Dynamics of Hybrid Metabolic-Genetic Oscillators
细胞内回路的合成构建经常受到缺乏适当动力学和精确速率参数知识的阻碍。在这里，我们使用广义建模（GM）来研究一类称为“代谢子”的混合代谢-遗传回路的拓扑模型的动力学行为。在对动力学的温和假设下，我们使用GM来分析证明，所有在拓扑上类似于这样一个回路的显式动力学模型，即“核心代谢者”，都不能经历Hopf分叉。然后，我们研究更详细的模型的代谢。受实验观察到的核心代谢相关的综合构建的电路中的Hopf分叉的启发，我们应用GM来识别必须重新引入以恢复Hopf分叉的综合构建的代谢的关键组件。接下来，我们研究了一个重新布线版本的核心代谢，被称为“反向”代谢动力学，并表明它表现出一个显着丰富的动力学行为，包括本地和全球振荡。通过观察反向代谢的弛豫振荡，我们研究了遗传和代谢时间尺度的分离可能在其动力学中发挥的作用，并发现广泛分离的时间尺度促进了电路的稳定性。我们的研究结果说明了一个通用的管道，用于审查潜在的电路设计的潜在成功，简单地通过研究相应的广义模型的动态。
2013-05-13 nlin.AO q-bio.MN q-bio.QM
Emergent Correlations in Gene Expression Dynamics as Footprints of Resource Competition
遗传电路需要一个细胞环境来运行，这自然地将电路功能与基因调控网络的整体功能耦合在一起。为了执行它们的功能，所有基因回路都以RNA聚合酶、核糖体和tRNA的形式获取资源。最近的实验指出，资源竞争对合成电路输出的影响可能是巨大的。然而，电路架构的复杂性对资源共享动态的影响尚未被探索。在本文中，我们采用数学建模和计算机模拟实验来确定资源权衡的来源，并量化其对遗传电路功能的影响，将我们的重点放在直接下游蛋白质的调节上。我们以荧光报告分子为例，它通常被用作蛋白质读出。我们表明，估计基因表达动态从下游蛋白质数据的读数可能是不可靠的，当资源是有限的，核糖体亲和力是不对称的。我们专注于mRNA的拷贝数和RBS强度的非线性isocline出现两个政权，显着分离的临界点的影响，并研究如何相关和竞争占主导地位，取决于各种电路参数。进一步关注遗传切换电路，我们已经确定了资源竞争在这个模型的主题的主要影响，并量化的意见。观测结果在湿实验室实验中是可测试的，因为所选择的所有参数都是实验相关的。
2020-07-16 q-bio.MN q-bio.QM
Growth-rate-dependent dynamics of a bacterial genetic oscillator
具有振荡动力学的基因网络在生物学中广泛存在。引起振荡的最小调节设计已被综合实施并通过数学建模进行研究。然而，大多数现有的分析通常忽略了耦合的调节电路与蜂窝“底盘”，电路嵌入。例如，快速生长细菌的细胞内大分子组成随生长速率而变化。因此，基因表达的重要参数，如核糖体浓度或细胞体积，是生长速率依赖性的，最终将遗传电路的动力学与细胞生理学相结合。这项工作解决了一个典型的例子，基因振荡器，repressilator的动态增长率的影响。利用细菌中的参数的经验增长率依赖性，我们表明，repressilator动态可以切换振荡和收敛到一个固定点，这取决于细胞的生长状态，从而对营养物质，它是美联储之间。电路的物理支持（质粒的类型或染色体上的基因位置）也在确定振荡稳定性和周期与振幅的增长率依赖性方面起着重要作用。该分析在合成生物学领域具有潜在的应用，并且表明内源性遗传振荡器和细胞生理学之间的耦合可以对其功能产生实质性后果。
2013-01-30 physics.bio-ph q-bio.MN q-bio.QM
Effects of cell cycle noise on excitable gene circuits
我们评估细胞周期噪声对基因电路动力学的影响。对于遗传开关和可兴奋电路，我们发现亚稳态之间的转换很可能发生在细胞分裂之后，并且这种浓度效应在转录延迟的存在下加剧。我们用一个三态随机模型解释了这种浓度效应。对于遗传振荡器，我们量化了由细胞分裂诱导的子细胞之间的时间相关性。为了准确量化基因网络中的噪声源，必须正确捕获时间相关性。
2016-05-30 physics.bio-ph q-bio.MN q-bio.QM
Physical approaches to the dynamics of genetic circuits: A tutorial
细胞行为受基因调控过程控制，基因调控过程本质上是动态和非线性的，并且受到不可忽略的随机波动的影响。这样的条件在物理系统中无处不在，几十年来人们一直使用统计和非线性物理学的工具来研究它们。这篇综述的目的是展示传统物理学中使用的方法如何帮助实现对活细胞的系统级理解。为此，我们提出了一个概述的动力学现象所表现出的遗传电路及其功能的意义。我们还描述了理论和实验方法，被用来解开电路结构和功能之间的关系，在动态细胞过程中的噪声的影响下，无论是在单细胞水平和细胞群体，其中细胞间的耦合起着重要的作用。
2011-05-22 nlin.AO physics.bio-ph q-bio.MN
Type-dependent irreversible stochastic spin models for genetic regulatory networks at the level of promotion-inhibition circuitry
我们描述了一种方法，通过一类随机自旋模型，包括空间和时间的密度波动，以自然的方式在促进-抑制电路的水平上模拟基因调控网络。该形式主义可以被看作是一个基于代理的模型形式主义与代理行为统治的经典自旋类伪哈密顿扮演的角色，一个本地的，个人的目标函数。一个特殊的，但在其他方面普遍适用的选择微观过渡率的模型也使他们的独立利益。为了说明形式主义，我们研究（通过蒙特卡罗模拟）阻遏蛋白的一些稳态特性，阻遏蛋白是一种具有振荡行为的合成三基因转录调节因子网络。
2015-08-08 cond-mat.stat-mech math.PR q-bio.MN
Designing biological circuits: from principles to applications
遗传电路设计是合成生物学中的一个研究热点。自从第一个基因电路--阻遏器和拨动开关--被设计和实现以来，在这一研究领域已经取得了许多进展。目前的审查系统地组织了一些关键的工作在这一领域采用通用的框架广义形态分析。该领域的文献已被映射的基础上（a）所使用的设计方法，从蛮力搜索到控制理论的方法，（b）所采用的建模技术，（c）实现的各种电路功能，（d）关键设计特性，以及（e）用于遗传电路的鲁棒设计的策略。我们总结了我们的审查与展望多个令人兴奋的领域，为未来的研究，基于系统评估的关键研究差距，已经很容易解开我们的分析框架。
2021-11-05 cs.ET q-bio.MN
Analytic stability analysis of three-component self-regulatory genetic circuit
自我调节遗传回路，其中蛋白质充当其自身生产的正调节器，已知是具有正反馈回路的生物网络的最简单形式。虽然至少需要三种成分，DNA，RNA和蛋白质，以形成这样的电路，自我调节电路的固定点的稳定性分析已经被执行后，减少系统到一个两个组件系统组成的RNA和蛋白质，假设一个快速平衡的DNA成分。通过求全三维Hessian矩阵的特征值，分析了三分量正反馈回路不动点的稳定性。除了严格识别稳定不动点和鞍点之外，还可以获得详细的信息，例如鞍点附近的正特征值的数量。特别是，复杂的特征值显示存在足够慢的绑定和解绑定的自调节转录因子的DNA，导致振荡收敛到稳定状态，一个新的功能，在二维分析中看不见。
2014-08-09 cond-mat.stat-mech nlin.AO physics.bio-ph
Biologic: Gene circuits and feedback in an introductory physics sequence for biology and premedical students
两个合成基因电路-遗传拨动开关和repressilator -定量分析和讨论的背景下，基因电路和反馈的教育模块，构成了为期一年的介绍性物理序列的最后一个主题，针对生物学和医学预科本科生。基因开关由两个基因组成，每个基因的蛋白质产物抑制另一个基因的表达，而阻遏物由三个基因组成，每个基因的蛋白质产物抑制下一个基因的表达。对基因开关的解析、数值和电子学处理表明，该基因电路实现了双稳态。再压器的简化处理表明，该电路可以实现持续振荡。在这两种情况下，得到一个“相图”，指定的区域的参数空间中的双稳态或振荡行为，分别发生。
2013-07-11 physics.ed-ph q-bio.MN
A simple mechanism for controlling the onset and arrest of collective oscillations in genetic circuits
我们研究一个系统的动力单元，其中每个显示兴奋或振荡的行为，这取决于参数的选择。当我们将这些单位与抑制键结合时，我们可以控制集体振荡的持续时间，使其在集体定点行为之间的中间时期。控制机制的工作原理是单调增加一个单一的分歧参数。振荡的开始和停止都是由于分叉造成的。根据耦合强度，网络拓扑结构和调谐速度，我们的数值模拟揭示了一个丰富的动态平衡，具有多个固有的时间尺度，长瞬态的稳态和有趣的瞬态模式，如自组织起搏器。放大到过渡区，我们追求沿着螺旋臂振荡的逮捕。我们指出可能的关系，分割时钟的遗传网络。
2014-02-05 nlin.AO physics.bio-ph q-bio.MN
Robustness of networked systems to unintended interactions with application to engineered genetic circuits
一个网络化的动力系统是由多个子系统通过预定的相互作用相互连接而成的。然而，在许多工程应用中，一个子系统也可以通过“非预期”的交互影响其他子系统，这可能会严重阻碍预期网络的行为。虽然非预期的相互作用可以建模为干扰输入的子系统，这些干扰依赖于网络的状态。因此，每个隔离子系统的干扰衰减特性单独地不足以确保网络行为对于非预期的交互是鲁棒的。在本文中，我们提供了充分的条件，子系统的动力学和相互作用的地图，使网络的行为是鲁棒的非预期的相互作用。这些条件要求每个子系统衰减恒定的外部干扰，是单调或“近单调”，非预期的相互作用地图是单调的，和规定的相互作用地图不包含反馈回路。我们利用这一结果来指导资源有限的遗传电路的设计。更一般地说，我们的研究结果提供了条件下，组成子系统的鲁棒性足以保证网络的鲁棒性，以意外的相互作用。
2020-09-09 cs.SY eess.SY q-bio.MN
Moment Closure Approximations in a Genetic Negative Feedback Circuit
自调节是蛋白质负调节其自身产生的过程，是基因表达网络中的常见基序。基因表达中的负反馈在缓冲细胞内蛋白质浓度在最佳值附近的波动中起关键作用。由于这些反馈中存在的非线性，矩动态通常不是封闭的，在这个意义上，蛋白质拷贝数的低阶统计矩的时间导数取决于高阶矩。通过将高阶矩表示为低阶矩的非线性函数来闭合矩方程，这种技术通常称为矩闭合。在这里，我们比较不同的时刻关闭技术的性能。我们的研究结果表明，常用的封闭方法，它假定先验的蛋白质群体计数是正态分布，表现不佳。与此相反，条件导数匹配，一种新的封闭方案，这里提出了一个很好的近似跨不同的参数制度的确切时刻。总之，我们的研究为研究基因负反馈电路的随机动力学提供了一种新的矩封闭方法，并可以推广到更复杂的基因网络中探测噪声。
2014-05-15 q-bio.MN q-bio.SC
Testing the transition state theory in stochastic dynamics of a genetic switch
数值模拟了相互抑制的双基因电路中化学反应的随机动力学。当DNA状态的动力学变化缓慢时，该电路具有丰富多样的不同状态。这些状态之间的随机切换过渡的切换率的理论估计来自类似的过渡态理论的想法进行了比较。即使电路保持远离平衡，该方法给出了一个一致的解释的开关动力学的参数范围很广。然而，类似过渡态理论的估计不能描述涉及蛋白质分子数量极少的状态的跃迁。
2006-08-25 cond-mat.dis-nn cond-mat.soft q-bio.MN
Coarse-Grained Modeling of Genetic Circuits as a Function of the Inherent Time Scales
从粗粒度的角度来看，自激活物种的基序，激活作为其自身阻遏物的第二物种，广泛存在于生物系统中，特别是在具有固有振荡行为的遗传系统中。在这里，我们考虑这个基序的一个具体实现作为一个遗传电路，其中基因被描述为直接产生蛋白质，省去了mRNA产生的中间步骤。我们专注于内在的时间尺度上的底层细粒度尺度上的分叉模式在一个较粗的时间尺度上的效果。时间尺度由转录因子与基因的启动子区域的结合和解结合速率设定。取决于这些速率的蛋白质的衰变时间的比率，获得粗粒度的描述的适当的平均程序的变化，并导致确定性方程组，这在其分叉结构不同。特别是，当基因的结合率与至少一种蛋白质的衰变时间相同或小于衰变时间时，所需的规则极限环的中间范围就会消失。我们的分析表明，共同的拓扑结构的广泛发现的主题本身并不一定意味着普遍的功能，在动态。
2016-01-15 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.MN
A proof-carrying architecture for synthetic genetic logic circuits under stochastic temporal contracts
Faculty of Computer Science, University of Vienna（维也纳大学计算机科学学院）；Faculty of Informatics, TU Wien（维也纳工业大学信息学院）
本文提出证明携带合成生物学（PCS-Bio）架构，通过连接布尔等价、随机契约等义务，为无环基因逻辑电路提供时间精化保证，实验显示切片可降低风险与延迟。
2026-10-01 cs.LO q-bio.MN
Genetic Toggle Switch Without Cooperative Binding
用确定性和随机性方法研究了两个转录因子相互抑制的遗传开关系统。许多研究已经得出结论，合作绑定是在这些系统中出现的双稳态的必要条件。在这里，我们表明，对于一系列生物相关的条件下，一个合适的网络结构和随机效应的组合，即使没有合作约束力，也会产生双稳态。
2006-03-22 q-bio.MN
Noise-aided Logic in an Electronic Analog of Synthetic Genetic Networks
我们报告的实验验证噪声增强的逻辑行为的电子模拟的合成遗传网络，由两个阻遏物和两个组成型启动子。我们观察到电路测量和数值预测之间的良好协议，与电路允许在噪声的最佳窗口鲁棒的逻辑运算。也就是说，逻辑门的输入-输出特性在中等噪声下被忠实地再现，这是被称为逻辑随机共振的现象的表现。系统中的两个动态变量同时产生互补的逻辑行为。该系统很容易从AND/NAND演变为OR/NOR逻辑。
2013-08-20 physics.bio-ph q-bio.MN
Dichotomous noise models of gene switches
基因调控网络中的分子噪声有两个内在组成部分，一部分是由于蛋白质或mRNA分子的出生和死亡引起的波动，这些分子通常存在于小数量中，另一部分是由基因状态转换引起的，这是一个单分子事件。随机动力学的基因调控电路似乎是主要负责分叉成一组多吸引状态，编码不同的细胞表型。二分单分子基因噪声与遗传网络的非线性结构的相互作用产生了丰富而复杂的现象。在本文中，我们详细阐述了一个近似的框架，导致简单的混合多尺度计划非常适合于大规模细胞遗传电路的稳态特性的定量探索，通过基于轨迹统计的路径和分析，我们阐明了这些混合计划的基本主方程的连接，并提供了一个严格的理由，使用二分噪声为基础的模型来研究遗传网络。电路模型的数值模拟表明，单分子起源的遗传噪声对总噪声的贡献对于广泛的动力学制度是显着的。
2015-09-25 q-bio.MN
Discrete time piecewise affine models of genetic regulatory networks
我们介绍了简单的模型，基因调控网络，我们进行数学分析，其动态。该模型是由分段仿射收缩映射产生的离散时间动力系统，其变量代表基因表达水平。当与其他模型的监管网络相比，这些模型有一个额外的参数被确定为量化的互动延迟。尽管它们很简单，但它们的动力学表现出丰富多样的行为。这种现象不仅限于分段仿射模型，而且扩展到光滑的非线性离散时间模型的调节网络。在第一步中，我们的分析关注的一般性质的网络上的任意图形（特征的吸引子，符号动力学，李雅普诺夫稳定性，结构稳定性，对称性等）。在第二步中，重点是简单的电路，吸引子和它的变化与参数的描述。在负电路的2个基因，提出了一个彻底的研究，其中涉及稳定的（准）周期振荡的单位圆上的旋转-旋转数连续和单调依赖于门限参数。这些规则振荡存在于具有任意数量基因的负回路中，它们最有可能在具有不可忽略的延迟效应的遗传系统中观察到。
2005-05-03 math.DS nlin.AO q-bio.MN
Kernel Architecture of the Genetic Circuitry of the Arabidopsis Circadian System
许多生物体都具有分子机器和生物钟的特征，这些生物钟产生约24小时周期性的内源性振荡，从而使生物过程与昼夜环境波动同步。最近，人们已经清楚地发现，植物的核心生物钟中含有比其他生物更复杂的基因调控回路，这引发了一个根本性的问题：生物钟基因之间的所有这些调控相互作用对建立和维持昼夜节律同样重要吗？我们对拟南芥的机制模拟表明，至少有一半的总监管相互作用必须存在表达在野生型植物中观察到的昼夜节律的分子概况。这些基本相互作用的集合在本文中被称为昼夜节律系统的核心。核结构无偏地揭示了四个连锁的负反馈回路有助于昼夜节律，其中三个反馈回路驱动自主振荡本身。引人注目的是，内核结构以及整个时钟电路绝大多数是由基因之间的抑制性而不是激活性相互作用组成的。我们发现，这种趋势的基础植物昼夜节律的分子概况，往往表现出尖锐的形状，尖波形。通过生成这些骤尖配置文件，抑制相互作用可能会促进全球协调的时间遥远的时钟事件，显着达到峰值，在一天中的非常特定的时间。我们的系统方法导致实验可测试的预测提供了深入了解生物钟表的设计原理，与合成生物学的影响。
2016-02-02 physics.bio-ph q-bio.MN q-bio.SC
The transition between stochastic and deterministic behavior in an excitable gene circuit
我们探讨了一个随机模拟模型和一个常微分方程（ODEs）模型之间的联系，表现出噪声诱导的振荡的可兴奋基因电路的动态。在常微分方程模型的分叉点附近，随机模拟模型产生的行为与常微分方程模型预测的行为有很大的不同。我们分析了这种行为如何依赖于基因拷贝数，并发现在分叉点附近收敛到大数极限非常缓慢。理解的基因电路和其他出生死亡的动力系统与少数成分的动力学的影响进行了讨论。
2012-04-24 physics.bio-ph q-bio.MN
The power of the AC-DC circuit: Operating principles of a simple multi-functional transcriptional network motif
基因编码的调节回路控制生物功能。系统生物学的一个主要焦点是通过建立特定结构和功能之间的关系来理解这些电路。特别令人感兴趣的是能够在不改变其拓扑结构的情况下执行不同行为的多功能电路。这种系统的一个特别简单的例子是AC-DC电路。在多个调节过程中发现，该回路由三个基因组成，它们以拨动开关和阻遏物的组合连接。利用动力系统理论，我们分析了现有的动力学制度，表明AC-DC可以表现出振荡和双稳态。我们发现，这两个动力学制度可以共存鲁棒性在同一区域的参数空间，产生新的紧急行为不提供给个别子网络组件。我们证明了AC-DC电路提供了一种在振荡和稳定表达之间快速切换的机制，并且在存在噪声的情况下，电路的多功能性提供了控制振荡的相干性的可能性。此外，我们提供的证据表明，一个振荡制度的可用性允许AC-DC电路的行为作为一个可激发的系统能够随机脉冲和空间信号传播。综合这些结果揭示了如何一个简单的AC-DC电路系统可以产生多个复杂的动力学行为在相同的参数范围内，非常适合于多功能合成遗传电路的建设。同样，分析揭示了这种电路的潜力，以促进不同的模式化机制的演变。
2017-08-16 q-bio.MN
The Dynamics of Inducible Genetic Circuits
California Institute of Technology（加州理工学院）；University of California, Berkeley（加州大学伯克利分校）；Institute for Quantitative Biosciences-QB3（定量生物科学研究所-QB3）；Chan Zuckerberg Biohub–San Francisco（钱泽克伯格生物中心旧金山分部）
本文提出使用统计力学模型研究可诱导基因电路的动力学，关注效应分子浓度而非传统参数，揭示生物参数调节调控motif稳定性的新视角。
2026-03-04 physics.bio-ph q-bio.MN q-bio.SC
Stochastic Simulations of the Repressilator Circuit
遗传阻遏物回路由三个转录因子或阻遏物组成，它们以循环方式相互负调控。该回路是在{ \it Escherichia coli}中的质粒上合成构建的，并且发现在三种阻遏物的浓度中表现出振荡。由于阻遏物及其结合位点通常以低拷贝数出现，因此振荡是嘈杂的和不规则的。因此，再加压器电路不能完全使用确定性方法（如速率方程）进行分析。在这里，我们使用主方程和蒙特卡罗模拟进行随机分析的repressilator电路。结果发现，波动修改的范围内出现振荡的条件，以及它们的振幅和周期，相比确定性方程。确定性方法和随机性方法仅在所有相关组分（包括游离蛋白质、质粒和结合蛋白质）以高拷贝数出现的限度内一致。我们还发现，微妙的功能，如合作绑定和绑定阻遏降解强烈影响的振荡的存在和性质。
2007-10-07 q-bio.MN
Reliability of genetic networks is evolvable
尽管潜在的分子网络具有随机性，但对活细胞功能的控制具有显着的可靠性-这是一种可能被生物进化优化的特性。在这里，我们要问的是，随机动态网络产生可靠动态的属性在多大程度上是一个可进化的特征。使用进化算法的基础上确定性的选择标准的可靠性的动态吸引子，我们发展动态网络的噪声离散阈值节点。我们发现，从任何随机网络开始，吸引子景观的可靠性往往可以通过对网络结构的微小改变来实现。此外，进化的网络可靠的动态，同时保持其功能的研究和高成功率被发现。
2007-07-10 q-bio.MN
Stochastic Simulations of Genetic Switch Systems
利用确定性方法（速率方程）和随机性方法（主方程和Monte Carlo模拟）研究了两个转录因子相互抑制的遗传开关系统。这些系统表现出双稳态，即两个稳定状态，使得它们之间的自发跃迁是罕见的。诱导转变可能由于外部刺激而发生。我们研究了几种变异的遗传开关，并研究了合作结合，排他性结合，蛋白质相互作用和结合阻遏物的降解的影响。我们确定的参数范围内发生双稳态，使系统作为一个开关。许多研究已经得出结论，合作绑定是在这些系统中出现的双稳态的必要条件。我们发现，一个合适的网络结构和随机效应的组合，即使没有合作绑定，也会产生双稳态。自发转换之间的平均时间作为生物学参数的函数进行评价。
2007-02-01 q-bio.MN
Tunability of the Dual Feedback Genetic Oscillator Modeled by the Asymmetry in Transcription and Translation
振荡基因回路在生物学中普遍存在，并且参与细胞周期、昼夜节律和发育系统的基本过程。小的，非自然振荡遗传电路的合成已越来越多地用于测试遗传网络动力学的基本原理。一个最近开发的快速，可调的基因振荡器由斯特里克等。[23]已经通过结合正反馈回路和负反馈回路证明了振荡行为的鲁棒性和可调谐性。然而，该振荡器结合了lacI（负）和araC（正）反馈回路，使用多层微分方程建模以捕获调节的分子复杂性，以解释实验测量的振荡。我们基于该双反馈环路振荡器的延迟微分方程（DDE）开发了一个简化模型，该模型根据两种诱导剂异丙基b-D-1-硫代半乳糖苷（IPTG）的浓度再现了振荡器周期和振幅的可调性。和阿拉伯糖。以前的工作已经预测需要在质粒上编码的激活子（araC）和阻遏子（lacI）基因的拷贝数不对称。我们使用我们的简化模型来重新设计网络，通过比较基因表达在（a）DNA拷贝数和（b）mRNA翻译速率和（c）降解水平上的不对称性的影响。我们发现振荡器的最小周期对DNA拷贝数的不对称性敏感，而翻译速率的不对称性与质粒拷贝数的不对称性具有相同的效应，而调节mRNA降解的不对称性可以提高振荡器周期的可调性，同时增加对复制“噪声”和宿主细胞周期影响的鲁棒性。因此，我们的模型预测实验测试的原则，重新设计一个潜在的更强大的振荡遗传网络。
2019-05-15 q-bio.MN q-bio.SC
Optimizing periodicity and polymodality in noise-induced genetic oscillators
许多细胞功能都是基于生物过程的节律性组织，这些生物过程是自我重复的事件级联。其中一些周期性过程，如几个物种的细胞周期，表现出明显的不规则性的形式周期跳跃，这导致多峰分布的周期长度。最近提出的一种机制，占这种量子化的行为是稳定的霍普夫不稳定状态的分子噪声。在这里，我们研究了模型系统中不同噪声的影响，即一个可兴奋的激活子-抑制子遗传电路，它显示了这种噪声诱导的稳定效应。我们的研究结果表明，一个最佳的噪声水平提高了周期的规律性（连贯性），在相干共振的形式。类似的噪声水平也优化了周期长度的多模态性质。总之，这些结果说明了如何在一个最小的基因调控基序内的分子噪音赋予强大的周期性多模态模式的生成。
2011-04-21 q-bio.MN
Fiber decomposition of deterministic reaction networks with applications
确定性反应网络（RNs）是一种在粒子数量丰富的情况下对以粒子系统为特征的各种生物现象进行建模的工具。示例包括但不限于生物化学、分子生物学、遗传学、流行病学和社会科学。在本章中，我们提出了一种新的RN分解类型，称为纤维分解。使用这种分解，我们建立提升的质量行动RN保持平稳特性，包括多平稳性和绝对浓度的鲁棒性。这种提升格式简单明了，对反应网络的限制很小。我们提供的例子来说明如何提升可以用来构建RN保持某些动力学性质。
2021-07-18 math.DS q-bio.MN
Noise expands the response range of the Bacillus subtilis competence circuit
基因调控电路必须与由于有限数量的蛋白质而产生的内在噪音作斗争。一个突出的例子是枯草芽孢杆菌中的感受态回路，它在感受态事件持续期间表现出比执行相同功能的合成构建的类似物大得多的噪声。在这里，使用随机建模和荧光显微镜，我们表明，这种较大的噪声允许细胞退出终端表型状态，这扩大了细胞响应的应激水平的范围，并导致在群体水平上的表型异质性。这是一个重要的例子，说明噪音如何在遗传决策回路中赋予功能性益处。
2015-08-30 q-bio.CB q-bio.MN
