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
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
Information transmission in genetic regulatory networks: a review
遗传调控网络使细胞能够通过动态协调其基因表达谱来响应内部和外部条件的变化。我们在这些生化回路中进行定量测量的能力加深了我们对基因调控网络可以执行何种计算以及具有何种可靠性的理解。这些进展促使研究人员寻找遗传调控网络的结构和功能之间的联系。在网络的输入和输出之间传输信息已经被提出作为一种可能的功能度量，在某些生物学背景下相关。在这里，我们总结了信息论在基因调控网络中应用的最新进展。我们首先回顾信息论中的基本概念，以了解最近的工作。然后，我们讨论了基因调控的功能复杂性所产生的调控相互作用的分子性质。最后，我们回顾了一些实验支持的观点，负责多细胞生物的早期发展的遗传网络可能会最大限度地提高传输的“位置”信息。
2011-01-21 physics.bio-ph 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
Gene regulatory and signalling networks exhibit distinct topological distributions of motifs
细胞决策和分化的生物学过程涉及大量的信号通路和基因调控回路。反过来，这些网络表现出大量的基序，在调节网络活动中发挥着至关重要的作用。在这里，我们比较了基因调控和信号网络中基序的拓扑位置，发现它表明不同的细胞子网络的基序分布不同的进化策略。
2018-04-12 q-bio.MN
Comparative study of the transcriptional regulatory networks of E. coli and yeast: Structural characteristics leading to marginal dynamic stability
在随机布尔函数的框架下研究了{ \it Escherichia coli}和{ \it Saccharomyces cerevisiae}转录调控网络的动力学性质。这些网络对单点突变的动态响应的特征在于突变元素的数量作为时间的函数和弛豫时间到新的稳态的分布，这在两个网络中是不同的。与随机网络的行为比较，揭示了除平均连通性之外的相关结构特征，即电路的组织和入度分布的函数形式。在{ \it E. coli}和{ \it S. cerevisiae}将它们的动力学转向边缘稳定性，克服了它们的平均连通性所施加的限制，这被认为与活生物体中鲁棒性和适应性的同时存在有关。
2006-09-22 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
Boolean network model predicts cell cycle sequence of fission yeast
基于已知的生物化学相互作用拓扑结构，建立了裂殖酵母细胞周期调控网络的布尔网络模型.在计算机中模拟该模型，忠实地再现了已知序列的调节活动模式沿细胞周期的活细胞。与现有的微分方程模型相反，除了调节电路的结构之外，没有参数进入模型。该模型的动力学性质表明，生物动力学序列在调控网络中鲁棒地实现，生物定态G1对应于状态空间中的主导吸引子，生物调控序列是一个强吸引轨道.将分裂酵母细胞周期模型与S。cerevisiae中，电路的显着差异，以及动态观察。而后者工作在强阻尼模式，由外部激励驱动，S。Pombe网络表示具有外部阻尼的自激系统。
2007-04-17 q-bio.MN
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
An HIV Feedback-Resistor: Auto-Regulatory Circuit Deactivator and Noise Buffer
许多病毒具有进入冬眠或关闭状态的狡猾能力，称为潜伏或溶原性。当处于潜伏状态时，病毒无法复制，其基因表达程序基本上被关闭。这种潜伏的能力通常确保病毒在宿主体内终身存在;这也是治疗艾滋病毒的一个特别有问题的障碍。对于大多数病毒，进入潜伏期的分子调控尚未完全了解，但据信病毒基因表达必须以某种方式失活。在这项研究中，我们引入了一个新的调控基序，反馈电阻，使遗传电路关闭，而不需要一个积极的阻遏分子。我们首先表明，许多动物病毒可能编码反馈电阻在其调节电路。然后，通过结合使用数学理论和单细胞实时成像实验，我们表明，HIV Tat转录电路中的反馈电阻器可能允许HIV病毒进入潜伏期。我们假设，反馈电阻器可以在细胞的复杂噪声信号环境中提供增加的稳定性和控制。
2007-01-09 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.MN
Synthetic biocomputation design using supervised gene regulatory networks
合成生物学技术设计复杂细胞电路的潜力，能够解决复杂的计算，开辟了一个探索的整个领域，超越了实验和理论。这种蜂窝电路可用于执行涉及决策、信息存储或信号处理的硬任务。由于基因调控网络（GRN）是合成设计的最佳已知技术方法，因此期望预先知道此类电路在执行任务中的潜力以及如何将处理神经网络的经典近似转化为GRN。在本文中，这样的潜力进行了分析。在这里，我们表明，前馈GRNs能够执行经典的机器智能任务。因此，基于Hill方程的广义随机网络模型在人工神经网络成功的道路上取得了两个重要的里程碑，即反向传播算法和广义随机网络可以逼近任意正函数的证明。合成设计的潜在扩展和影响进行了概述。
2013-10-18 q-bio.MN q-bio.NC
ANDOR and beyond: dynamically switchable logic gates as modules for flexible information processing in biochemical regulatory networks
一个信息处理电路必须灵活地执行多种任务：生命系统中的生化信息处理电路可以具有多种功能，要求它们在不同的场景下执行不同的计算任务。在这里，我们描述了一个可调的动力系统，它根据动力学所在的吸引域执行不同的逻辑运算（如AND，OR和XOR）。我们分析了这些动态可切换逻辑门的鲁棒性，并描述了其功能的可靠性和效率之间的权衡。
2021-11-29 nlin.AO 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
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
Trade-offs in delayed information transmission in biochemical networks
为了传递生化信号，生物调节系统消耗能量并伴随着熵的产生。此外，信号通常发生在具有挑战性的环境条件下。在一个简单的模型监管电路的输入和延迟输出，我们探讨信息传输和系统的能量效率之间的权衡。我们确定最大信息网络，给定固定的熵产生和延迟响应，探索有反馈和无反馈的情况。我们发现，反馈允许电路，以克服能量的限制和传输接近最大的可用信息，即使在无耗散的限制。负反馈回路，冲击响应的特征，是最佳的高耗散。接近平衡的正反馈回路，以其稳定性而闻名，变得更加信息化。当我们问到信号网络应该如何在最坏的环境中发挥最佳作用，而不是在最佳的环境中或在稳定状态下发挥最佳作用时，我们发现，在大耗散下，相同的通用基序在所有这些条件下都是最佳的。
2015-04-14 q-bio.MN
Theoretical and computational tools to model multistable gene regulatory networks
本综述系统梳理了多稳态基因调控网络建模的理论与计算方法，提供典型系统模型教程与文献实例，并对比了生化网络与经典非平衡物理系统的异同。
2023-06-26 q-bio.MN
Gene autoregulation via intronic microRNAs and its functions
背景：MicroRNA是基因表达的转录后抑制因子，在基因调控网络中起着关键作用。它们参与核心细胞过程，其失调与广泛的人类疾病有关。本文重点研究了一个最小的microRNA介导的调控回路，其中蛋白质编码基因（宿主基因）被位于其内含子内的microRNA靶向。结果如下：通过内含子microRNA的自动调节在人类调控网络中广泛存在，正如我们的生物信息学分析所证实的那样，尽管其拓扑结构简单，但可以执行多种调控任务。我们的分析，基于分析计算和模拟，表明该电路改变宿主基因表达的动态，可以诱导复杂的反应，实现适应和韦伯定律，并有效地过滤从上游网络传播到宿主基因的波动。电路参数的微调可以优化这些功能中的每一个。有趣的是，它们都与基因表达稳态有关，这与越来越多的证据表明microRNA调节在赋予生物过程鲁棒性中的作用一致。除了模型分析，我们提出了一个生物信息学预测的候选电路在人类未来的实验测试。结论：这里呈现的结果表明通过内含子microRNA的负性自我调节的潜在相关功能作用，特别是作为基因表达的稳态控制机制。此外，从我们的分析中得到的电路功能在实验上可测量的参数方面的映射，可以为合成生物学中的可能应用提供有用的指导。
2012-06-11 q-bio.MN q-bio.QM
Noise Processing by MicroRNA-Mediated Circuits: the Incoherent Feed-Forward Loop, Revisited
在高等真核生物中，基因表达的内在随机性通常通过稳定输出层（最显著的是蛋白质水平）的转录后调节通道来减轻。在遗传调控网络的特定基序中发现了小的非编码RNA（miRNAs），这导致将噪声缓冲鉴定为它们在调控中发挥的可能的关键功能。最近的体外和计算机研究证实了这一假设。然而，还已知miRNA介导的噪音降低受到简单拓扑结构中的转录爆发的阻碍。在这里，使用随机模拟验证的分析计算的基础上van Kampen的扩展，我们重新审视的miRNA介导的非相干前馈环（IFFL），一个小模块，是广泛存在于高等真核生物的基因调控网络的噪声缓冲能力，以占调节基因的转录活性的影响。我们表明，爆裂大大改变电路的能力，以控制静态蛋白质噪声。通过与其他调控结构的比较，我们发现，直接转录调控显着优于IFFL在广泛的动力学参数。这表明，在脉动输入下，在表征调节元件的性能方面，静态降噪可能不如噪声和信息处理的动态方面重要。
2016-04-11 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.MN
Information capacity of genetic regulatory elements
细胞外部或内部条件的变化通常反映在相关转录因子的浓度上。这些蛋白质反过来调节它们控制下的基因的表达水平，有时需要执行整合多个输入并影响多个基因的非平凡计算。与此同时，即使输入保持不变，受调控基因的活动也会波动，这是系统中固有噪声的结果，而这种噪声必然从根本上限制任何遗传计算的可靠性。在这里，我们使用信息理论来正式的概念，在简单的基因调控元件的存在下，物理现实的噪声源的信息传输。系统地探讨了这种“通道容量”对噪声参数、协同性和制造信号分子的成本的依赖性。我们发现，至少在原则上，高于一位的能力应该是可以实现的，因此遗传调控不限于使用二进制或“开-关”组件。
2007-09-26 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
Logic and connectivity jointly determine criticality in biological gene regulatory networks
活细胞中基因表达的复杂动力学可以使用布尔网络很好地近似。平均灵敏度是衡量这些系统稳定性的自然指标：低于1的值表示与有序相关联的典型稳定动态，而高于1的值表示混沌动态。这就产生了一个理论上的自适应优势，接近临界值1，在秩序和混乱之间的边界。在这里，我们测量了66个公开可用的布尔网络模型的平均灵敏度，这些模型描述了基因调控回路在不同生活过程中的功能。我们发现这些网络的平均灵敏度值聚集在一个点附近，表明它们接近临界。在许多类型的随机网络中，平均连通性<K>和逻辑函数的平均活动偏差<p>被认为是确定平均灵敏度的最重要的网络属性，并通过扩展网络的临界性。令人惊讶的是，这些基因调控网络中的许多达到了接近临界状态，<K>与<p>临界系统的预测相差甚远：共享生物网络的局部因果结构和局部逻辑的随机网络比单独控制宏观尺度属性（如和）更好地再现了它们的临界行为<K><p>。这表明调控网络内相互作用的基因的局部性质被选择为集体接近临界，并且基因调控网络动力学的这种非局部性质不能单独使用相互作用的密度来预测。
2018-05-03 q-bio.MN
Restoring information in aged gene regulatory networks by single knock-ins
University of Pittsburgh（匹兹堡大学）；Harvard Medical School（哈佛医学院）；Schoen Adams Research Institute at Spaulding（斯波尔丁肖恩亚当斯研究所）
通过单基因敲入技术恢复衰老基因调控网络中的信息，发现可提升网络信息量达10%，为网络信息流动研究和抗衰老提供了新方向。
2026-01-07 physics.bio-ph q-bio.MN
Bifurcations and multistability in inducible three-gene toggle switch networks
California Institute of Technology（加州理工学院）
本研究探讨了三基因开关网络中效应分子对多稳态动态的影响，揭示了双功能蛋白调控机制对动态行为的关键作用。
2026-02-03 physics.bio-ph q-bio.MN q-bio.SC
Stochastic timing in gene expression for simple regulatory strategies
时间对于许多细胞过程是必不可少的，从细胞对外部刺激的反应到细胞周期和生物钟。这些过程中有许多是基于基因表达的。例如，激活的基因可能需要在精确的时间内达到触发特定下游过程的表达阈值水平。然而，基因表达受到随机波动的影响，自然地在该阈值跨越时间中引起不确定性，对生物功能和表型具有潜在后果。在这里，我们考虑这样的“时间波动”，我们问他们如何可以控制。我们的分析估计和模拟表明，对于诱导基因，如果表达的阈值水平约为稳态水平的一半，则时序变异性最小。提高转录速率可以减少时间上的干扰，而时间上的干扰对翻译速率不敏感。在自我调节策略的存在下，我们发现，自我抑制降低了必须快速达到的阈值水平的时间噪声，而自我激活在很长一段时间内是最佳的。这些结果奠定了一个框架，了解随机性的内源性系统，如细胞周期，以及合成触发电路的设计。
2017-02-23 q-bio.MN
Complexity reduction by symmetry: uncovering the minimal regulatory network for logical computation in bacteria
利用对称纤维化和k-core分解，提出ComSym方法将细菌基因调控网络缩减为最小计算核心，保留动力学并揭示逻辑计算能力。
2025-02-25 q-bio.CB q-bio.MN
A simple regulatory architecture allows learning the statistical structure of a changing environment
细菌生活在不断波动和变化的环境中。利用这种波动的任何可预测性都可以提高适应性。在更长的时间尺度上，细菌可以通过进化“学习”这些波动的结构。然而，在较短的时间尺度上，推断环境的统计数据并根据这些信息采取行动需要通过生理机制来完成。在这里，我们使用一个模型的新陈代谢表明，一个简单的概括的一个共同的监管基序（终产物抑制）是足够的学习连续值的特征的统计结构的环境，并将此信息转化为预测行为;此外，它完成这些任务接近最佳。我们讨论了合理的遗传电路，可以实例化我们所描述的机制，包括一个类似于双组分信号的架构，并认为这种预测行为所需的关键成分是很容易获得的细菌。
2020-12-31 q-bio.CB q-bio.MN
Statistics of optimal information flow in ensembles of regulatory motifs
基因调节电路普遍应对不同的噪音源，这些噪音源限制了它们协调输入和输出信号的能力。在许多情况下，最佳监管绩效可以被认为对应于最大化输入和输出之间的互信息的变量和参数配置。在过去的十年里，这种最优值在几个生物学相关的案例中得到了很好的表征。在这里，我们使用统计场理论的方法来计算的最大互信息（“容量”）的统计，可通过调整输入变量只在一个合奏的监管图案，这样一个单一的控制器调节N个目标。假设（i）足够大的N，（ii）猝灭的随机动力学参数，和（iii）影响输入输出通道的小噪声，我们可以准确地再现数值模拟的平均容量和整个分布。我们的研究结果提供了深入了解的内在可变性发生在监管系统的有效性与异构动力学参数。
2018-02-16 cond-mat.dis-nn cond-mat.stat-mech q-bio.MN
Accelerating Machine Learning Systems via Category Theory: Applications to Spherical Attention for Gene Regulatory Networks
Laboratory for Information and Decision Systems, Massachusetts Institute of Technology（信息与决策系统实验室，麻省理工学院）；SyntheticGestalt（SyntheticGestalt公司）；School of Informatics, Nagoya University（信息学院，名古屋大学）
本文利用基于范畴论的神经电路图推导面向基因调控网络的 spherical attention 与 FlashSign 内核，在 A100 上媲美 FlashAttention，性能达 PyTorch 的 3.6 倍。
2025-05-14 cs.LG math.CT 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
Entangled gene regulatory networks with cooperative expression endow robust adaptive responses to unforeseen environmental changes
生物体必须对环境变化作出反应。一般来说，准确和快速的反应是由简单的单向网络提供的，该网络将输入与输出连接起来。除了准确性和速度，生物反应还应该对环境或细胞内噪音和突变具有鲁棒性。此外，细胞还必须对以前没有经历过的不可预见的环境变化做出反应，以避免在其网络进化重新布线之前灭绝，这需要数代人。我们研究了相互激活或抑制的基因调控网络，并证明了复杂的纠缠网络可以建立适当的输入输出关系，满足不可预见的挑战所需的鲁棒性和适应性反应。这种纠缠网络的功能是对每个基因表达的低希尔系数反应进行草率和不可靠的响应。为了弥补这种马虎，调控网络中存在一些迂回。与简单的单向电路相比，通过利用这种迂回的平均，网络对环境和细胞内噪声以及网络中的突变表现出更高的鲁棒性。此外，实现了对不可预见的挑战的适当响应，允许功能输出，因为许多基因表现出类似的动态表达响应，而与输入无关，如通过应用动态时间规整和动态模式分解所证实的。由于复杂的缠结网络在基因调控网络中很常见，并且在微生物实验中观察到全局基因表达响应，本文的结果为细胞网络的设计提供了一种新的原则。
2020-12-08 physics.bio-ph q-bio.MN
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
Antithetic Integral Feedback ensures robust perfect adaptation in noisy biomolecular networks
Department of Biosystems Science and Engineering (D-BSSE),ETH–Zürich（巴塞尔苏黎世联邦理工学院生物系统科学与工程学院）
本文提出了一种新的调节模式，即反向积分反馈，用于在噪声环境下稳定和调节生物分子网络，通过结合概率和控制理论，实现了鲁棒的完美适应。
2016-01-13 cs.SY eess.SY math.OC
Revisiting a synthetic intracellular regulatory network that exhibits oscillations
2000年，Elowitz和Leibler引入了阻遏物--一种合成的基因回路，由三个基因循环抑制下一个基因的转录--以及相应的数学模型。实验数据和模型模拟显示，蛋白质浓度在各代之间存在振荡。2006年，Müller \textit{et al.}将该模型推广到任意数量的基因，并分析了由此产生的动力学。他们的新模型基于五个关键假设，其中两个假设是限制性的，因为目前的生物学知识。因此，我们提出了一个新的阻遏系统，允许一般功能的模型转录，降解和翻译。我们证明了，与奇数个基因，新的模型有一个唯一的稳定状态和系统收敛到这个稳定状态或周期轨道。当基因个数为偶数时，我们给出了平衡态稳定的一个充分必要条件，并猜想了一个奇数时稳定的条件。最后，我们推导出一个新的速率函数，描述转录下产生的更合理的生物学假设比广泛使用的单步绑定假设。使用这个新的转录率函数，我们将该模型的振幅和周期与具有传统转录率函数的模型的振幅和周期进行了比较。总之，我们的研究结果增强了我们对基因调控的理解。
2018-12-31 math.DS q-bio.MN
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
Molecular communication networks with general molecular circuit receivers
在分子通信网络中，发射器可以编码信号分子的浓度或频率的信息。当信号分子到达接收器时，它们通过一系列化学反应或分子电路发生反应，产生输出分子。输出分子随时间的计数是接收器的输出信号。本文的目的是研究不同反应类型对分子通讯网络信息传输能力的影响。我们实现这一目标，通过使用一个通用的分子电路模型。我们推导出平均接收机输出，信号和噪声谱的一般表达式。我们使用这些表达式来研究一些分子电路的信息传输能力。
2013-12-19 cs.IT math.IT q-bio.MN
Morphogenesis by coupled regulatory networks: Reliable control of positional information and proportion regulation
基于空间模式形成的非平衡机制，我们研究了如何通过局部耦合的离散动力学网络来控制位置信息，类似于发育中的多细胞生物体中细胞的基因调控网络。作为一个例子，我们研究的发展问题的域的形成和比例调节的存在下，噪音，以及在存在的细胞流。我们发现，解决这一任务的网络表现出信息处理的层次结构，并具有类似的复杂性，作为活细胞的发育电路。比例调节可随系统大小而缩放，并导致基因表达结构域的尖锐、精确定位的边界，即使对于大量细胞也是如此。噪声诱导的动力学，使用平均场近似的详细分析表明，在基因表达状态的噪声稳定（而不是破坏）的空间模式中存在的细胞运动，无论是静止的，以及增长的系统。最后，我们讨论了如何在多细胞生物体中生长组织的高度动态环境中实现这种机制。
2009-08-25 cond-mat.dis-nn nlin.CG q-bio.CB
