Suppr超能文献

受挫双稳性作为一种在生物系统中构建振荡的手段。

Frustrated bistability as a means to engineer oscillations in biological systems.

作者信息

Krishna S, Semsey S, Jensen M H

机构信息

Center for Models of Life, Niels Bohr Institute, Copenhagen, Denmark.

出版信息

Phys Biol. 2009 May 21;6(3):036009. doi: 10.1088/1478-3975/6/3/036009.

Abstract

Oscillations play an important physiological role in a variety of biological systems. For example, respiration and carbohydrate synthesis are coupled to the circadian clock in cyanobacteria (Ishiura et al 1998 Science 281 1519) and ultradian oscillations with time periods of a few hours have been observed in immune response (NF-kappaB, Hoffmann et al 2002 Science 298 1241, Neson et al 2004 Science 306 704), apoptosis (p53, Lahav et al 2004 Nat. Genet. 36 53), development (Hes, Hirata et al 2002 Science 298 840) and growth hormone secretion (Plotsky and Vale 1985 Science 230 461, Zeitler et al 1991 Proc. Natl. Acad. Sci. USA 88 8920). Here we discuss how any bistable system can be 'frustrated' to produce oscillations of a desired nature--we use the term frustration, in analogy to frustrated spins in antiferromagnets, to refer to the addition of a negative feedback loop that destabilizes the bistable system. We show that the molecular implementation can use a wide variety of methods ranging from translation regulation, using small non-coding RNAs, to targeted protein modification to transcriptional regulation. We also introduce a simple graphical method for determining whether a particular implementation will produce oscillations. The shape of the resulting oscillations can be readily tuned to produce spiky and asymmetric oscillations--quite different from the shapes produced by synthetic oscillators (Elowitz and Leibler 2000 Nature 403 335, Fung et al 2005 Nature 435 118). The time period and amplitude can also be manipulated and these oscillators are easy to reset or switch on and off using a tunable external input. The mechanism of frustrated bistability could thus prove to be an easily implementable way to synthesize flexible, designable oscillators.

摘要

振荡在多种生物系统中发挥着重要的生理作用。例如,呼吸作用和碳水化合物合成与蓝细菌中的昼夜节律钟相关联(石浦等人,1998年,《科学》281卷,第1519页),并且在免疫反应(核因子κB,霍夫曼等人,2002年,《科学》298卷,第1241页;内森等人,2004年,《科学》306卷,第704页)、细胞凋亡(p53,拉哈夫等人,2004年,《自然遗传学》36卷,第53页)、发育(Hes,平田等人,2002年,《科学》298卷,第840页)以及生长激素分泌(普洛茨基和瓦尔,1985年,《科学》230卷,第461页;蔡特勒等人,1991年,《美国国家科学院院刊》88卷,第8920页)中观察到了周期为几小时的超日振荡。在此,我们讨论任何双稳态系统如何被“挫败”以产生所需性质的振荡——我们使用“挫败”这个术语,类似于反铁磁体中受挫的自旋,来指代添加一个使双稳态系统不稳定的负反馈回路。我们表明,分子层面的实现可以使用从利用小非编码RNA进行翻译调控到靶向蛋白质修饰再到转录调控等多种方法。我们还引入了一种简单的图形方法来确定特定的实现方式是否会产生振荡。所产生振荡的形状可以很容易地进行调整,以产生尖峰状和不对称的振荡——这与合成振荡器产生的形状(埃洛维茨和利布勒,2000年,《自然》403卷,第335页;冯等人,2005年,《自然》435卷,第118页)有很大不同。振荡的周期和幅度也可以被操控,并且这些振荡器使用可调外部输入很容易重置或开启和关闭。因此,受挫双稳态机制可能被证明是一种易于实现的合成灵活、可设计振荡器的方法。

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