具有反馈的分子开关电路的随机行为

背景：使用统计物理方法，我们研究了具有反馈的多位点磷酸化和去磷酸化模型电路的随机开关行为。该电路由作用于底物多个位点的激酶和磷酸酶组成，底物根据其修饰状态催化自身的磷酸化，并在对称情况下催化去磷酸化。对称情况被视为冲突反馈的卡通模型，这种反馈可能源于作用于共享组件状态的拮抗途径。结果：即使在底物浓度下催化是线性的（我们考虑的情况），多位点磷酸化也足以在反馈下产生双稳态行为。我们在统计力学框架内计算了与开关记忆相关的相图、涨落谱和大偏差性质。双稳态表现为一阶或二阶非平衡相变，取决于网络对称性和磷酸酶与激酶数量的比率。在二阶情况下，在恒定激酶与磷酸酶比率下增加底物分子数量时，电路永远不会离开双稳态区域。结论：底物分子数量是控制双稳态区域出现、涨落强度和开关状态停留时间的关键参数。记忆概念的相关性取决于开关对称性的程度，因为记忆预设了要记住的信息，这在开关状态停留时间相等时最高。审稿人：本文由Artem Novozhilov（由Eugene Koonin提名）、Sergei Maslov和Ned Wingreen审阅。