自由能耗散增强小反应扩散系统中图灵模式的空间精度与鲁棒性
统计力学
2022-06-07 v1 斑图形成与孤子
生物物理
摘要
准确且鲁棒的空间秩序在生命系统中无处不在。1952年，Alan Turing提出了一种基于底层反应扩散系统中空间平移对称性的自发破缺而形成图样的优雅机制。关于图灵模式动力学与结构已有很多认识，但对其能量代价的了解甚少。在此，我们通过解析与数值方法研究小型空间扩展生化反应扩散系统的非平衡热力学。我们发现图灵模式的出现需要最小能量耗散以驱动非平衡化学反应。在阈值以上，总能量支出中仅一小部分用于克服扩散以维持空间图样。我们表明，定位误差随能量耗散增加而减小，遵循与生化振荡系统中时序误差和能量代价之间相同的权衡关系。在有限系统中，我们发现特定图灵模式仅存在于总分子数有限范围内，而能量耗散拓宽了该范围，从而增强了图灵模式对活细胞内分子数波动的鲁棒性。这些结果在E. coli中DNA分离所依赖的Muk系统这一现实模型中得到验证，并对空间图样精度与鲁棒性对ATP/ADP比的依赖性作出了可检验预测。总体而言，此处发展的理论框架可应用于研究空间扩展生化系统的非平衡热力学。
引用
@article{arxiv.2206.01769,
title = {Free energy dissipation enhances spatial accuracy and robustness of Turing pattern in small reaction-diffusion systems},
author = {Dongliang Zhang and Chenghao Zhang and Qi Ouyang and Yuhai Tu},
journal= {arXiv preprint arXiv:2206.01769},
year = {2022}
}
备注
main text plus SI