对称性驱动的复杂度约简：揭示细菌逻辑计算的极小调控网络

对称原理在几何与物理中发挥着重要作用，可将复杂系统化简为更易懂且保留关注特征的模型。生物系统通常高度复杂，可能由大量相互作用的组分构成。利用对称纤束（symmetry fibrations）——生物“消息传递”网络的相应对称性，我们提出一种称为对称性复杂度约简（Complexity Reduction by Symmetry，ComSym）的方案，将大肠杆菌（Escherichia coli）与枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）的基因调控网络约简为核心网络，在保持动力学的同时揭示网络的计算能力。原网络中具有同构输入树的基因节点被纤束折叠为称为纤（fibers）的等价类，其中接收具有相同“历史”信号的节点属于同一纤并同步。随后我们通过 k-核分解将网络约简至极小计算核心。该计算核心由若干强连通分量或“信号涡旋”组成，信号可在其中循环；而这些“信号涡旋”之间以前馈方式传递信号。这些连通分量通过一系列存储记忆的遗传双稳态开关电路以及振荡器电路，在细菌细胞内执行信号处理与决策。这些电路充当网络的核心计算装置，其输出信号随后扩散至网络其余部分。我们的约简方法借助对称的基本理论原理，为以系统性方式将生物系统的巨大复杂度收窄至其极小组分开辟了道路。