Feedback Regulation and its Efficiency in Biochemical Networks
细胞内生化网络的动态波动，由于各种内部和外部来源的波动。将波动分解为生物学相关的成分对于理解细胞如何控制和利用噪声以及信息如何在明显嘈杂的细胞内网络中传递非常重要。虽然在没有任何回路的前馈网络中，波动分解的理论和实验取得了实质性的进展，但我们仍然缺乏一个理论基础，可以将这种进展持续扩展到反馈网络。主要的障碍是波动通过反馈回路的循环传播。为了确定反馈回路对波动的影响的相关量，需要解开组件之间的因果连锁影响。此外，我们还缺乏一种方法，使我们能够推断非微扰的影响，反馈波动的双报告系统在前馈网络。在这项工作中，我们解决了这些问题，通过扩展的波动分解和双报告系统的工作。对于两个元件的单环反馈网络，我们将反馈回路增益定义为反馈效率，该反馈效率与前馈网络的波动分解一致。然后，我们阐明了反馈效率与波动传播的开环FF网络的关系。最后，通过扩展双报告系统，我们提出了一个共轭反馈和前馈系统，仅从系统的统计非微扰估计反馈效率。
2015-05-08 q-bio.MN q-bio.PE
Stochastic focusing coupled with negative feedback enables robust regulation in biochemical reaction networks
自然界呈现了许多有趣的例子，这些过程以高精度和规律性进行。这种显著的稳定性经常与建模者在低拷贝数情况下化学反应的固有随机性的经验相反。此外，噪声和非线性的影响可能导致“反直觉”行为，如可以显示随机聚焦（SF）的基本酶促反应方案所示。在快速信号波动的假设下，SF已被证明将分级响应转换为阈值机制，从而衰减信号噪声的有害影响。然而，当快速波动假设被违反时，这种灵敏度的增益通常是以非常大的产品方差为代价获得的，这种不可预测的行为可能是一种可能的解释，为什么在其引入十多年后，SF仍然没有在真实的生化系统中观察到。在这项工作中，我们探讨了一个简单的酶反应机制与一个小的和波动的数量的活性酶，作为一个高增益，嘈杂的放大器，由于慢酶波动引起的SF的行为的噪声特性。然后，我们表明，列入一个合理的负反馈机制，把系统从一个嘈杂的信号检测器到一个强大的稳态机制，通过交换高增益与强衰减输出噪声和鲁棒性参数变化。此外，我们观察到，随机聚焦系统的确定性和随机描述之间的差异，在演变的手段几乎完全消失，尽管非常低的分子计数和额外的非线性，由于反馈。这里考虑的反应机制可以提供一个可能的解决方案，内在噪声和高精度之间的明显冲突，在关键的细胞内过程。
2015-09-29 q-bio.MN
Biochemical feedback and its application to immune cells II: dynamics and critical slowing down
在分岔点附近，由于临界慢化现象，系统的响应时间会发散。我们调查临界慢化充分混合随机模型的生化反馈利用映射到平均场伊辛普适类。这种映射使我们能够量化实验中的临界减速，在实验中我们测量T细胞对药物的反应。具体来说，添加药物相当于参数空间中的突然猝灭，我们发现使细胞更接近其临界点的猝灭导致反应较慢。我们进一步证明，我们的类的生化反馈模型表现出连续驱动系统的Kibble-Zurek崩溃，它预测了细胞反应的滞后缩放更渐进的扰动。我们讨论的影响，我们的研究结果之间的权衡精确和快速的响应。
2019-02-07 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.MN
Searching bifurcations in high-dimensional parameter space via a feedback loop breaking approach
当系统中反馈回路的特性发生变化时，非线性系统往往会出现分岔现象，从而导致系统的复杂动力学行为。在具有许多未知参数或变化参数的系统中，找到发生特定分叉的参数值是一个有趣但困难的问题。在本文中，我们开发了一个环路中断的方法来评估参数值对反馈电路特性的影响。这种方法允许在系统中可能的分叉相关的反馈电路特性的理论分类。在此基础上，提出了一种可能高维参数空间中分岔搜索的数值算法。该算法的应用说明了通过搜索一个Hopf分支的模型中的有丝分裂原活化蛋白激酶（MAPK）级联，这是一个经典的例子，生化信号转导。
2010-09-22 math.DS q-bio.MN
Pitchfork and Hopf bifurcation thresholds in stochastic equations with delayed feedback
给出了一类具有时滞反馈的随机微分方程的分岔图。我们的动机是最近的研究在转录基因调控模型的随机效应。我们从干草叉分岔的标准形出发，加入乘性或参数噪声和线性延迟反馈。后者足以在存在足够强的负反馈的参数区域中产生Hopf分叉。我们在参数空间中发现了一个尖锐的分叉，并将阈值定义为稳态分布函数p（x）从平凡状态x=0的δ函数变化到小x时的p（x）~ x^alpha（alpha = -1正好在阈值处）的点。我们发现，分叉阈值被移动的波动相对于确定性的限制的量，与噪声强度成线性比例。分叉阈值的分析计算也提出了在小延迟τ-> 0的限制，比较相当有利的数值解，即使τ = 1。
2009-09-17 cond-mat.stat-mech q-bio.MN
Biochemical Network Motifs Under Periodic Forcing: A Selective Catalogue of Transfer Functions and Frequency Response Properties
本文系统推导并汇编了常见生化网络模体在周期性驱动下的传递函数，将其置于生物学语境中，并通过内禀传递函数概念调和了生物学与控制理论对反馈的理解差异。
2025-09-23 q-bio.MN
Structural polyhedral stability of a biochemical network is equivalent to finiteness of the associated generalised Petri net
我们认为生化系统与广义类的Petri网可能是负的令牌号码。我们表明，存在一个结构多面体李雅普诺夫函数的生化系统是等价于相关的Petri网演化的有界性，或者等价地，从每个初始条件可达到的状态的数量的有限性。对于不允许多面体李雅普诺夫函数的网络，我们研究是否有可能通过在一些钉扎节点上施加强负反馈来加强多面体结构稳定性：在Petri网中，这相当于将钉扎节点变成黑洞，清除任何正或负的传入令牌。如果这样的节点被选择，使变换后的Petri网有界离散轨迹，那么存在一个稳定的钉扎控制：生化网络成为李雅普诺夫稳定，如果足够强的局部负反馈施加到钉扎节点。这些结果使我们能够从结构上确定关键节点进行局部控制，以确保整个网络的稳定性。
2021-09-03 cs.SY eess.SY math.DS
Mathematical modeling of biochemical signal propagation in many-stage enzymatic pathways
School of Mathematics, Monash University（蒙纳士大学数学学院）
本文研究了多阶段酶促通路中信号传播的数学模型，通过非线性米氏动力学分析了波浪传播机制，提出了一种新的反向速度空间重标定技术以恢复信号传递的可预测性。
2026-04-17 math.DS q-bio.MN
Optimal signal processing in small stochastic biochemical networks
我们量化了转录调控网络的拓扑结构对其处理环境信号能力的影响。通过从信息论的角度提出这个问题，我们可以做到这一点，而不必具体说明网络所执行的功能。具体而言，我们研究的输入（化学）信号和输出（遗传）响应可达到的网络的背景下的粒子数波动的分析模型之间的最大互信息。我们对所有生化回路进行这种分析，包括各种反馈回路，这些回路可以由3种化学物质组成，每种化学物质都受一个调节器的控制。我们发现，一个通用的网络，限制到低分子数量和合理的响应时间，可以存储更多的信息比一个简单的二进制开关，事实上，设法实现接近最佳的信息传输保真度。这些高信息的解决方案是强大的十倍的变化，在大多数网络的生化参数;此外，他们更容易实现在网络中包含的周期与奇数负调节器（整体负反馈），由于其减少分子噪声（结果，我们推导分析）。最后，我们证明了单个电路可以支持多个高信息解决方案。这些发现表明了“串扰”困境的潜在解决方案，以及先前无法解释的观察结果，即经历蛋白水解的转录因子更可能是自动抑制的。
2006-12-21 q-bio.MN q-bio.QM
Parameter estimation for biochemical reaction networks using Wasserstein distances
我们提出了一种方法来估计生化反应网络的随机模型中的参数，通过拟合稳态分布使用Wasserstein距离。我们在不同的参数设置下模拟反应网络，并训练高斯过程来学习所有参数的观测值和模拟器输出之间的Wasserstein距离。然后，我们使用贝叶斯优化来找到基于训练的高斯过程最小化该距离的参数。我们的方法的有效性证明了三阶段模型的基因表达和遗传反馈回路的矩为基础的方法是众所周知的执行不佳。我们的方法适用于任何随机反应网络的模拟器模型，包括布朗动力学。
2019-10-21 q-bio.MN q-bio.QM
Switching between oscillations and homeostasis in competing negative and positive feedback motifs
我们分析了一类网络模体，其中一个短的，两个节点的正反馈模体被插入到一个三个节点的负反馈环。我们证明，这样的网络可以进行分叉的一个稳定的不动点和稳定的极限环共存的状态。在分叉点处，振荡的周期发散。此外，本征噪声可以使系统自发地在振荡态和稳态之间切换。我们发现，这种切换也发生在以前的模型的生物钟，使用这种组合的积极和消极的反馈。我们的研究结果表明，现实生活中的昼夜节律系统可能需要特定的调节，以防止或尽量减少这种切换事件。
2012-04-17 q-bio.MN
MAPK Cascades as Feedback Amplifiers
以丝裂原活化蛋白激酶（MAPK）级联为例的可相互转化的酶级联是信号转导途径中的常见机制。关于这些通路的作用以及它们的结构与功能的关系，有很多猜测。一个共同的结论是级联放大生化信号，使一个单一的结合配体分子可能产生大量的第二信使。最近的一些工作集中在一些MAPK通路中存在的一个特定特征上-一个跨越级联长度的负反馈环。这是一个人造工程设备反馈放大器所共有的特性。我们提出了一种新的解释：通过围绕放大器缠绕反馈回路，这些级联可以充当生化反馈放大器，其赋予i）相对于内部扰动增加的鲁棒性; ii）在扩展的操作范围内的线性分级响应; iii）与外部扰动绝缘，从而导致功能模块化。我们还报告了越来越多的实验证据支持MAPK对表皮生长因子的分级反应。这一证据支持了我们的假设，即在这些情况下，MAPK级联可能是作为一个反馈放大器。
2007-10-26 q-bio.MN q-bio.SC
Dynamic Information Transfer in Stochastic Biochemical Networks
我们开发了数值和分析方法来计算嵌入到一个更大的反应网络中的两个分子组分的完整路径之间的互信息。特别是，我们专注于一个连续时间马尔可夫链形式主义，经常用来描述涉及低丰度分子物种的细胞内过程。在此之前，我们已经展示了当两个分子组分直接相互作用而没有中间分子组分存在时，如何计算这样的系统的路径互信息。在这项工作中，我们将这种方法推广到涉及任意数量的分子组件的生化网络。我们提出了一个有效的蒙特卡罗方法以及分析近似计算的路径互信息，并显示它可以被分解成一对转移熵，捕获两个网络组件之间的因果信息流。我们应用我们的方法来研究一个简单的三节点前馈网络中的信息传输，以及一个更复杂的正反馈系统，两个亚稳态模式之间的随机切换。
2022-08-08 q-bio.MN q-bio.QM
Cell-to-cell information at a feedback-induced bifurcation point
细胞共享信息的一种普遍方式是交换分子。然而，这种信息交换受细胞内动力学影响的基本方式仍不清楚。在这里，我们使用信息理论研究一个简单的模型，两个相互作用的细胞与内部反馈。我们发现，细胞间的分子交换诱导一个集体的两个细胞的临界点，细胞之间的相互信息在这个临界点达到峰值。信息可以保持大远离临界点上的一个流形的细胞状态，但规模与系统的相关时间，导致在信息相关时间的权衡。这种权衡是严格规定的，这表明相关时间作为互信息的代理。
2020-07-22 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.MN
Degradation rate uniformity determines success of oscillations in repressive feedback regulatory networks
环形振荡器是由能够持续振荡的相互作用环组成的生化电路。基因之间的非线性相互作用阻碍了对其功能的分析洞察，通常需要计算探索。在这里，我们表明，尽管明显的复杂性，在一个不相干的反馈环的唯一的稳态的稳定性仅取决于退化率和一个单一的参数总结的反馈电路。具体地说，我们表明，产生振荡行为的监管参数的范围内，最大化时的降解速率是相等的。引人注目的是，这一结果独立于所使用的调控功能或基因数量。我们还推导出作为退化率和形成环的节点数的函数的振荡的性质。最后，我们通过将一般结果应用于具有两个自然不同降解时间尺度的特定情况，来探索mRNA动力学的作用
2018-02-16 q-bio.MN
The effect of feedback on the fidelity of information transmission of time-varying signals
活细胞持续暴露于随时间变化的环境信号。这些信号被生化网络检测和处理，这些网络通常是高度随机的。为了了解细胞如何应对波动的环境，我们必须了解生物化学网络如何可靠地传输随时间变化的信号。为此，我们必须了解网络的噪声特性和放大特性。在这篇手稿中，我们使用信息论来研究如何可靠的信号级联采用自动调节和反馈可以传输随时间变化的信号。我们计算了增益噪声比的频率依赖性，它反映了网络在不同频率下传输信号的可靠性。我们发现，增益噪声比可能会有所不同，从输出的功率谱，表明后者并不直接反映信令性能。此外，我们发现，自动激活和自动抑制增加和降低增益噪声比的所有频率，分别。正反馈特别增强低频下的信息传输，而负反馈增加高频下的信号保真度。我们的分析不仅阐明了自动调节和反馈在自然发生的生物网络中的作用，而且揭示了可用于合成基因电路中时变信号可靠传输的设计原理。
2010-02-12 q-bio.MN q-bio.QM
Network architectural conditions for prominent and robust stochastic oscillations
理解噪声动力学和生物网络结构之间的关系是一个非常重要的问题，特别是为了阐明细胞如何编码和处理信息。我们分析和数值研究一般的网络结构条件，是必要的产生随机放大和相干振荡。我们列举了所有可能的拓扑结构的耦合负反馈的基础生化网络的三个组成部分，负反馈回路，和质量作用动力学。利用线性噪声近似解析地得到了主方程的时变解，并推导出了功率谱的代数表达式，结果表明：（a）所有具有耦合负反馈的网络都能产生随机放大相干振荡，（b）具有单个负反馈的网络比具有多个耦合负反馈的网络是更好的随机放大相干振荡;（c）随机放大振荡和相干振荡需要动力学速率常数之间的多个时间尺度差异。
2011-10-10 q-bio.MN
Unstable Cores are the source of instability in chemical reaction networks
本文证明参数丰富动力学模型中化学计量矩阵的“不稳定核”可独立导致不稳定性，从而揭示自催化之外的复杂动力学来源，并构造出非自催化却具超线性增长和振荡的网络。
2024-03-05 math.DS q-bio.MN
Computing the Frequency Response of Biochemical Networks: A Python module
本文介绍了一个Python模块，用于计算任意生化网络的频率响应，支持SBML和Antimony格式，考虑守恒部分和相移问题，并提供绘制波特图的实用方法及多个示例。
2024-07-27 q-bio.MN q-bio.QM
Parameter estimation and bifurcation analysis of stochastic models of gene regulatory networks: tensor-structured methods
University of Oxford（牛津大学）；Czech Academy of Sciences（捷克科学院）
本文提出张量结构参数分析方法，用于研究随机生物化学网络模型的参数估计、鲁棒性、灵敏度及分支结构，通过张量结构方法高效计算参数空间内模型特性。
2015-03-15 cs.NA math.NA q-bio.MN
Switching in mass action networks based on linear inequalities
许多生化过程可以成功地描述动力系统允许某种形式的切换时，根据其初始条件，动力系统的解决方案最终在不同的区域的状态空间（与不同的生化功能）。切换通常是通过一个双稳态系统（即一个动态系统，允许两个稳定的稳态解）来实现的，在大多数情况下，双稳态是通过数值来建立的。在我们看来，这种方法是过于限制，一方面，由于主要的参数不确定性数值方法通常很难适用于现实的模型起源于系统生物学。另一方面，切换已经随着鞍型稳态的发生而出现（其特征在于雅可比矩阵，其中恰好一个特征值为正，其余特征值具有负实部）。因此，我们推导条件的基础上的线性不等式，允许解析计算的状态和参数的雅可比矩阵来自一个质量作用网络有缺陷的零特征值，使-在某些通用条件下-鞍结分叉发生。我们的条件适用于一般的质量作用网络，涉及至少一个守恒关系，然而，他们只是足够的（因为不可行的线性不等式并不排除缺陷零特征值）。
2011-09-26 q-bio.MN
Prevalence of multistability and nonstationarity in driven chemical networks
该研究分析受外部化学驱动的随机反应网络的动力学转变，揭示驱动、网络稀疏性和催化对多稳态等复杂行为及熵产率的促进作用，为理解生化与生命起源相关特性提供依据。
2023-06-15 nlin.AO q-bio.MN
Feedback-mediated circulation and persistence of stochastic fluctuations in gene regulatory circuits
Bose Institute（博斯研究所）；The University of Tokyo（东京大学）；Indian Institute of Engineering Science and Technology, Shibpur（印度工程科学和技术学院（希布尔））
研究基因调控回路中反馈拓扑对随机波动的控制，通过建立理论框架，识别出循环噪声，揭示其与波动持续性的关系，为理解反馈结构调节噪声大小和持续性提供最小框架。
2026-07-21 physics.bio-ph q-bio.MN
Moment Closure Stability Analysis of Stochastic Reaction Networks with Oscillatory Dynamics
具有振荡行为的生化反应在微观尺度的合成生物学中起着重要的作用。虽然宏观极限下确定性化学振子的鲁棒稳定性理论已经存在，但随机振子的动力学稳定性仍是一个正在进行的研究对象。化学主方程与动力学蒙特卡罗模拟一起构成了建模微观系统的最准确方法。然而，由于求解完全概率模型的挑战，大多数稳定性分析的研究都集中在描述外部扰动振荡器。本文应用最大熵原理作为振荡网络矩方程的闭合准则，对内扰振荡器网络进行了稳定性分析。特别地，我们讨论了动力学参数和尺寸参数对这一具有内禀噪声的随机振动系统动力学行为的影响。我们的数值实验表明，动力学参数的变化导致现象学和动力学的Hopf分岔，而减少系统的规模在振荡区域可以扭转随机的Hopf动力学分岔在系综水平。这是振荡系统随机动力学的一个独特特征，在宏观极限中具有未知的平行性。
2019-02-25 cond-mat.stat-mech q-bio.MN
Complete characterization of robust perfect adaptation in biochemical reaction networks
本文证明一般确定性化学反应网络中的RPA等价于特定拓扑子网络，并据此枚举所有独立于动力学的RPA性质、识别积分反馈控制器及推广至多输出情形。
2023-07-14 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph physics.chem-ph
Noise control in gene regulatory networks with negative feedback
基因和蛋白质通过复杂的生化反应回路调节细胞功能。这些调控网络的组件中的波动导致噪声，该噪声总是破坏信号，可能损害功能。在这里，我们创建了一个实用的形式主义的基础上介绍的想法维纳和Kolmogorov（WK）的过滤噪声在工程通信系统，以定量评估在何种程度上可以控制噪声的生物过程中，涉及负反馈。应用的理论，再现了先前证明的缩放的信号事件的数量方面的噪声抑制的下限，表明四环素抑制剂为基础的负调控基因电路的行为作为WK过滤器。对于类Hill-like非线性调节函数，这种类型的滤波器提供了最佳的噪声降低。我们的理论方法可以很容易地结合实验测量的响应函数在各种各样的遗传电路，阐明生物网络最小化噪声的一般原则。
2016-03-08 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.MN
Rigorous bounds on the stationary distributions of the chemical master equation via mathematical programming
生物化学网络的随机动力学通常用化学主方程（CME）来描述。日冕物质抛射的平稳分布很少能用解析法求解，而数值方法通常会产生误差不可控的估计。在这里，我们介绍数学规划的方法，这些分布与可计算的误差界，使其准确性的验证产生近似。首先，我们使用半定规划计算越来越严格的上限和下界的时刻的平稳分布的网络与合理的倾向。其次，我们使用这些时刻界制定线性规划，产生收敛的上限和下界的平稳分布本身，他们的边际和平稳平均值。所获得的界限也提供了一个计算测试的唯一性的分布。在唯一的情况下，边界形成一个近似的平稳分布与可计算的边界上的错误。在非唯一的情况下，我们的方法产生收敛近似的遍历分布。我们说明了我们的方法，通过几个生化的例子，从文献中：Schlögl的化学分岔模型，一个二维的切换开关，突发基因表达的模型，和二聚化模型与多个固定分布。
2019-06-25 math.OC math.PR q-bio.MN
