生化振荡器中通过动力学调控实现温度补偿

几乎所有生物钟都保持一个对温度变化不敏感的周期，这一现象被称为温度补偿（TC）。然而，尚不清楚表现出TC的不同系统之间是否存在任何共同特征。从一般的时间尺度不变性出发，我们证明TC依赖于某些周期延长反应的存在，在这些反应中，系统的周期随这些反应速率的增加而显著增长。通过研究几个通用的振荡器模型，我们表明，这种反直觉的依赖性是非线性（远离起始点）状态下振荡器的一个共同特征，在该状态下，振荡可被分为快相和慢相。当振荡中慢相的振幅随这些周期延长反应速率的增加而增大，而慢相中的进展速度由系统的其他速率控制时，周期随周期延长反应速率的增加而增长。周期对周期延长速率的正依赖关系平衡了其对系统中其他动力学速率的反依赖关系，从而在广泛的参数范围内产生了稳健的TC。我们在所考虑的所有四个模型系统中都证明了此类周期延长反应的存在及其与TC的相关性。关于Kai系统模型的理论结果得到了实验数据的支持。对能量耗散的研究还表明，更好的TC性能需要更高的能量消耗。我们的研究揭示了一个通用机制，即生化振荡器通过在远离起始点且存在周期延长反应的区域运行来实现TC。