非平衡生物物理系统中受热制约的局部不完美反馈控制

生物网络如何在依赖不完美、局部信息的情况下实现稳健控制仍是一个重要的开放问题。本文确定了可严限制制非平衡稳态响应的热力学约束，使得即使是粗糙的局部反馈规则也能在不要求精确网络设计或全局信息的情况下实现全局稳定控制。具体而言，本文将马尔可夫跳跃过程作为生物物理动力学的通用框架，推导一般的非平衡响应约束，表明对于许多速率扰动类别，稳态响应在所有驱动强度下具有固定符号，以此表明近平衡响应可预测远离平衡的行为，无需考虑系统的复杂性。这些约束阐明了Several生物现象：只要扰动作用于单个速率转换，就必然保证单调性；当输入同时调制多个速率时，才会出现非单调响应，例如在转录因子调节中所观察到的情形。即使如此，我们也识别出一种称为“一致性”的图论概念，可用于恢复单调性。我们展示了一致性在经典生物物理适应模型中自然普遍地出现，包括 E. coli 趋化和在考虑生物网络参数化约束的情况下的转录因子调节。接下来，我们在控制理论框架内表明，这些约束保证简单线性反馈作用于少量动力学速率即可实现全局稳定跟踪和适应，而无需协调操作许多变量。对于单调调节器的系统，局部稳定性意味着任意网络拓扑下的全局稳定性，而无需精细调谐，揭示了非平衡热力学本质上约束了生化网络响应。