三基因基序中的资源竞争与前馈响应的涌现：一项时空研究

前馈动力学因在非线性动力系统中具有若干重要意义而广为人知，它频繁出现于基因表达基序中，并已在实验与数学上得到充分探究。然而，由于遗传线路各组分对其宿主在核糖体、ATP、转录因子、tRNA 等资源上的依赖，由此产生的相关效应至关重要，却常被数学模型所忽略。在资源受限环境中，两个看似无关联的基因会为各自表达竞争资源，并可能表现出间接调控联系；系统中因此涌现出的响应完全源于资源竞争。本工作中，我们展示了如何通过考虑三基因通路中的资源竞争，重现前馈环（FFL，一种被充分研究的调控基因基序）的响应。借助时间以及时空稳定性分析探究该遗传系统，我们观察到了有趣的瞬态与稳态响应。本文所探究的遗传基序展现出传统 FFL 结构的诸多特征，如响应延迟与脉冲生成。最有趣的是，在二维细胞排布中，我们还观察到了在输入信号浓度梯度下形成的特征图样。本研究指出了合成与细胞系统中一个更广阔的研究与探索领域，其将揭示系统中因情境依赖而产生的新型控制思路与独特行为变化。