周期性营养摄入下基因表达中核糖体群体的最优控制

蛋白质翻译是基因表达的基础部分，由核糖体介导。由于核糖体对细胞质量和能量消耗均有显著贡献，实现核糖体群体的有效管理对代谢和生长也至关重要。受控制核糖体活性降解和生成的营养依赖机制生物学证据的启发，我们引入了一个蛋白质生产动力学模型，该模型包含资源动力学及对核糖体群体的控制。在活性降解和生物发生对于最大化并维持蛋白质生产是最优的这一假设下，我们旨在定性再现核糖体群体动力学的经验观察。在构建相关优化问题后，我们首先解析研究了恒定资源输入下解的稳定性和全局行为，并刻画了振荡幅度及向全局平衡态的收敛速率。我们进一步利用这些结果在准静态近似下简化并求解了该问题。利用生物物理参数值，我们发现最优控制解使得控制机制和核糖体群体在进食期与禁食期之间切换，这表明实验中观察到的核糖体群体的强烈调节能够最大化并维持蛋白质生产。最后，我们找到了能够观察到该状态的控制值范围，该范围取决于禁食的强度。