Free energy dissipation enhances spatial accuracy and robustness of self-positioned Turing pattern in small biochemical systems.
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DOI：
10.1098/rsif.2023.0276
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发表时间：
2023-07
期刊：
影响因子：
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通讯作者：
中科院分区：
文献类型：
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作者：
精确和鲁棒的空间顺序在生命系统中无处不在。1952年，图灵提出了一种模式形成的一般机制，以一个大系统中两种化学物质的反应扩散模型为例。然而，在小的生物系统，如细胞，存在多个图灵模式和强噪声可以降低空间秩序。最近，一个修改后的反应扩散模型与一个额外的化学物种被证明是稳定的图灵模式。在这里，我们研究这三个物种的反应扩散模型的非平衡热力学，了解能量成本和性能之间的关系的自我定位。通过使用计算和分析的方法，我们表明，超越发病的图案形成的定位误差降低能量耗散的增加。在有限系统中，我们发现，一个特定的图灵模式只存在于有限范围内的总分子数。能量耗散扩大了这个范围，这增强了图灵模式对活细胞中分子数量波动的鲁棒性。这些结果的一般性验证了在一个现实的模型中的Muk系统的DNA分离大肠杆菌的基础，和可测试的预测的空间模式的ATP/ADP比的准确性和鲁棒性的依赖。
Accurate and robust spatial orders are ubiquitous in living systems. In 1952, Turing proposed a general mechanism for pattern formation exemplified by a reaction–diffusion model with two chemical species in a large system. However, in small biological systems such as a cell, the existence of multiple Turing patterns and strong noise can lower the spatial order. Recently, a modified reaction–diffusion model with an additional chemical species is shown to stabilize the Turing pattern. Here, we study non-equilibrium thermodynamics of this three-species reaction–diffusion model to understand the relationship between energy cost and the performance of self-positioning. By using computational and analytical approaches, we show that beyond the onset of pattern formation the positioning error decreases as energy dissipation increases. In a finite system, we find that a specific Turing pattern exists only within a finite range of total molecule number. Energy dissipation broadens this range, which enhances the robustness of Turing pattern against molecule number fluctuations in living cells. The generality of these results is verified in a realistic model of the Muk system underlying DNA segregation in Escherichia coli, and testable predictions are made for the dependence of the accuracy and robustness of the spatial pattern on the ATP/ADP ratio.
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影响因子：
19.6
作者：
Cao Y;Wang H;Ouyang Q;Tu Y
通讯作者：
Tu Y
DOI：
10.1146/annurev-cellbio-100814-125211
发表时间：
2015
影响因子：
11.3
作者：
Badrinarayanan A;Le TB;Laub MT
通讯作者：
Laub MT
影响因子：
2.4
作者：
Butler, Thomas;Goldenfeld, Nigel
通讯作者：
Goldenfeld, Nigel
影响因子：
4.6
作者：
Green, Jeremy B. A.;Sharpe, James
通讯作者：
Sharpe, James
影响因子：
64.5
作者：
Estrada J;Wong F;DePace A;Gunawardena J
通讯作者：
Gunawardena J