生物钟节律性的物理约束

生物体中的昼夜节律是由非平衡态驱动的生化回路产生的时间秩序。在此，我们考虑合成生物学中的最小模型——KaiABC系统，研究仅由三种Kai蛋白和ATP构成的回路如何产生振荡。根据KaiC和KaiA浓度构建的相图揭示了一个狭窄有界的振荡相，这自然解释了蛋白质过表达时的节律失常。根据热力学不确定关系的代价-精度权衡，小系统中放大的固有噪声需要更高的自由能代价以实现更高的节律精度。在振荡相内，代价最小化条件产生约21小时的节律，只要强迫振幅大于代谢率的约10%，该节律即可被24小时的环境信号所牵引。最佳水平的固有噪声甚至可以在Hopf分岔之外诱导振荡，有效扩展了振荡相。我们的研究阐明了调控机制、能量代价和随机噪声等物理因素如何共同作用于生物钟的运行。