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基于DNA链置换反应实现的反馈控制系统的仿生设计。

Biologically inspired design of feedback control systems implemented using DNA strand displacement reactions.

作者信息

Foo Mathias, Sawlekar Rucha, Kulkarni Vishwesh V, Bates Declan G

出版信息

Annu Int Conf IEEE Eng Med Biol Soc. 2016 Aug;2016:1455-1458. doi: 10.1109/EMBC.2016.7590983.

DOI:10.1109/EMBC.2016.7590983
PMID:28268600
Abstract

The use of abstract chemical reaction networks (CRNs) as a modelling and design framework for the implementation of computing and control circuits using enzyme-free, entropy driven DNA strand displacement (DSD) reactions is starting to garner widespread attention in the area of synthetic biology. Previous work in this area has demonstrated the theoretical plausibility of using this approach to design biomolecular feedback control systems based on classical proportional-integral (PI) controllers, which may be constructed from CRNs implementing gain, summation and integrator operators. Here, we propose an alternative design approach that utilises the abstract chemical reactions involved in cellular signalling cycles to implement a biomolecular controller - termed a signalling-cycle (SC) controller. We compare the performance of the PI and SC controllers in closed-loop with a nonlinear second-order chemical process. Our results show that the SC controller outperforms the PI controller in terms of both performance and robustness, and also requires fewer abstract chemical reactions to implement, highlighting its potential usefulness in the construction of biomolecular control circuits.

摘要

使用抽象化学反应网络(CRNs)作为一种建模和设计框架,来实现基于无酶、熵驱动的DNA链置换(DSD)反应的计算和控制电路,这一方法在合成生物学领域正开始受到广泛关注。该领域先前的工作已经证明了使用这种方法来设计基于经典比例积分(PI)控制器的生物分子反馈控制系统在理论上的可行性,这些系统可以由实现增益、求和和积分算子的CRNs构建而成。在此,我们提出一种替代设计方法,该方法利用细胞信号传导循环中涉及的抽象化学反应来实现一种生物分子控制器——称为信号循环(SC)控制器。我们将PI控制器和SC控制器在闭环状态下与一个非线性二阶化学过程的性能进行了比较。我们的结果表明,SC控制器在性能和鲁棒性方面均优于PI控制器,并且实现时所需的抽象化学反应更少,这突出了其在构建生物分子控制电路方面的潜在用途。

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