实现大肠杆菌最佳趋化性能的最优甲基化噪声

响应于营养物的浓度梯度，大肠杆菌通过调节控制其游动与翻滚运动的鞭毛马达旋转偏向，向高营养物浓度区域迁移。细胞生化通路中随机噪声的存在对马达偏向的切换机制有重要影响，进而影响细胞的游动与翻滚。我们将细胞内反应网络建模为三个随机变量（激酶活性、甲基化水平和 CheY-P 蛋白水平）的耦合时间演化，并研究了甲基化噪声对细胞趋化性能的影响。在空间变化的营养物浓度分布存在时，良好的趋化性能使细胞能够快速攀爬浓度梯度，并在长时间极限下聚集在营养物丰富的区域。我们的模拟表明，在最佳噪声强度下可获得最佳性能。虽然可以预期在非常大噪声下趋化作用会减弱，但令人反直觉的是，当噪声水平低于某个值时，性能也会恶化。我们通过对不同噪声强度下 CheY-P 蛋白水平统计数据的详细分析来解释这一显著结果。我们表明，当 CheY-P 水平低于某个（依赖于噪声的）阈值时，细胞倾向于沿营养物浓度梯度向下移动，这对其趋化响应有不利影响。该阈值随噪声增加而降低，这种效应是噪声诱导趋化性能增强的原因。在恶劣的化学环境中，当营养物随时间降解时，细胞轨迹截获的营养物量是一个有效的性能标准。在这种情况下，我们同样发现了一个取决于营养物寿命的最佳噪声强度。