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Nat Phys:北京大学欧阳颀研究组发文报道生物振荡精确性与自由能耗散的关系

摘要 : 《Nature Physics》杂志发表生命科学联合中心欧阳颀研究组题为“The free energy cost of accurate biochemical oscillations”的研究论文。研究文章报道了生物振荡精确性与自由能耗散之间的关系。

 《Nature Physics》杂志发表生命科学联合中心欧阳颀研究组题为“The free energy cost of accurate biochemical oscillations”的研究论文。研究文章报道了生物振荡精确性与自由能耗散之间的关系。北京大学物理学院博士生曹远胜是这篇文章的第一作者,生命科学联合中心研究员、物理学院教授欧阳颀和IBM沃森研究中心的涂豫海教授是该论文的通讯作者。

生物系统为物理学家提供了许多在非平衡态系统中进行信息处理的范例。生物振荡网络是生命体的计时器,调节各种与时间信息相关的生命过程。但是在细胞环境中,内外噪声会使得振荡的相位发生涨落,从而使得振荡过程变得非常不精确。人们对于生物振荡网络如何控制噪声,以及控制噪声的热力学代价等问题知之甚少。

为了研究生物振荡网络的热力学问题,欧阳颀研究组与美国IBM沃森研究中心的涂豫海教授(北京大学物理学院长江讲座教授)展开合作,首次从理论上系统阐述了振荡网络中相位扩散与自由能耗散的关系。生物振荡网络一般由三种基序构成。研究发现,在这三种基序中,振荡相位的扩散系数与自由能耗散之间都呈相同的反比关系。该研究进一步从一个简单模型中解析的得到了相位扩散系数与自由能耗散的反比关系。从微观上看,振荡过程实际由多个自由能驱动(例如ATP水解)的反应环路构成。消耗的自由能越多,振荡的相位精确性也就越高。近年来的实验数据分析也验证了这个反比关系的普适性。

图注:在三种产生振荡的生物网络中,振荡相位扩散系数与能量耗散呈反比关系。从微观上看,振荡由多个自由能驱动的反应环路构成。自由能消耗越高,振荡相位的精确性也越高。

原文链接:

The free-energy cost of accurate biochemical oscillations

原文摘要:

Oscillations within the cell regulate the timing of many important life cycles. However, in this noisy environment, oscillations can be highly inaccurate owing to phase fluctuations. It remains poorly understood how biochemical circuits suppress these phase fluctuations and what is the incurred thermodynamic cost. Here, we study three different types of biochemical oscillation, representing three basic oscillation motifs shared by all known oscillatory systems. In all the systems studied, we find that the phase diffusion constant depends on the free-energy dissipation per period, following the same inverse relation parameterized by system-specific constants. This relationship and its range of validity are shown analytically in a model of noisy oscillation. Microscopically, we find that the oscillation is driven by multiple irreversible cycles that hydrolyse fuel molecules such as ATP; the number of phase coherent periods is proportional to the free energy consumed per period. Experimental evidence in support of this general relationship and testable predictions are also presented.

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