A Tug-of-War Mechanism for Pattern Formation in a Genetic Network.
A Tug-of-War Mechanism for Pattern Formation in a Genetic Network.
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DOI：
10.1021/acssynbio.7b00077
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发表时间：
2017-11-17
影响因子：
4.7
通讯作者：
Arcak M
中科院分区：
文献类型：
--
作者：
Gomez MM;Arcak M
利用遗传网络合成空间模式是合成生物学的一个持续挑战。模式形成的成功演示将意味着对自然界系统的更好理解，并推进合成生物学的应用。在发育系统中，短暂的模式可能足以为长期发育留下指令。在本文中，我们展示了短暂但持久的模式可以从基于拨动开关的可实现的合成基因网络中出现。我们表明，包含可扩散分子的双稳态系统可以产生类似图灵模式的模式，但在潜在机制上有明显不同：相互抑制分子的扩散在对立双稳态的细胞斑块之间产生了长时间的“拔河”。这些图案是短暂的，但较长的波长图案会持续很长一段时间。对一个典型的小尺度模型的分析表明，持续模态的特征值刚好在稳定阈值之上。通过生物学相关模型的仿真验证了结果。
Synthesizing spatial patterns with genetic networks is an ongoing challenge in synthetic biology. A successful demonstration of pattern formation would imply a better understanding of systems in the natural world and advance applications in synthetic biology. In developmental systems, transient patterning may suffice in order to imprint instructions for long-term development. In this paper we show that transient but persistent patterns can emerge from a realizable synthetic gene network based on a toggle switch. We show that a bistable system incorporating diffusible molecules can generate patterns that resemble Turing patterns but are distinctly different in the underlying mechanism: diffusion of mutually inhibiting molecules creates a prolonged “tug-of-war” between patches of cells at opposing bistable states. The patterns are transient but longer wavelength patterns persist for extended periods of time. Analysis of a representative small scale model implies the eigenvalues of the persistent modes are just above the threshold of stability. The results are verified through simulation of biologically relevant models.
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