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莫里茨·朗；塔蒂亚娜·拉戈（Tatiana T.Marquez-Lago）。；斯特林，约格；斯泰芬·沃尔德海尔

化学耦合合成振荡器的自动同步。 （英语） Zbl 1334.92139号

牛市。数学。生物。 73，第11期，2678-2706（2011）.
摘要：合成生物学最近提供了功能性单细胞振荡器。然而，除少数例外情况外，还没有实现种群之间的同步。特别是，设计一个单元耦合机制来实现自主同步并不简单，因为通常有几个不同的设计方案。在这里，我们提出了一种方法来从数学上预测自主同步特性，并确定具有最佳性能的网络结构，从而提高在体内成功实现的可行性。
我们的方法依赖于将基于ODE的合成振荡器模型简化为相位描述，以及在空间均匀或非均匀情况下对相位模型的后续分析。该分析确定了决定是否以及何时可以实现自主同步的三个主要因素，即单元密度、单元间可变性和结构设计决策。此外，当考虑空间非均匀介质时，我们观察到了相位波。这些波可能会严重阻碍同步，在设计过程中应考虑对其进行抑制。与之前的工作相比，我们分析了哺乳动物细胞中经实验验证的合成振荡器模型的同步过程。通过群体感应机制进行的细胞间通信的替代设计在很少的机械细节上有所不同，但这些差异对自主同步具有重要意义。我们的分析表明，为了获得良好的性能，不仅需要产生信号分子的蛋白质的周期性转录，还需要受体蛋白质的周期转录。

引用于1文件

MSC公司：

92C40型 生物化学、分子生物学
92C45型 生化问题中的动力学（药代动力学、酶动力学等）

关键词：

同步；合成振荡器；Kuramoto分析；空间波

软件：

PDE2D（PDE2D）
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\textit{M.Lang}等人，公牛。数学。生物学73，第11期，2678--2706（2011；Zbl 1334.92139）
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参考文献：

[1] 艾奇逊·D·J（1990）。基本流体动力学。伦敦：牛津大学出版社·兹比尔0719.76001
[2] Atkinson，M.R.、Savageau，M.A.、Myers，J.T.和；Ninfa，A.J.（2003）。大肠杆菌中显示拨动开关或振荡行为的基因电路的开发。单元格，113、597–607·doi:10.1016/S0092-8674（03）00346-5
[3] Brown，E.、Moehlis，J.和；Holmes，P.（2004）。关于神经振子群的相位约简和响应动力学。神经计算。，16, 673–715. ·Zbl 1054.92006年 ·doi:10.1162/089976604322860668
[4] Daniels，B.C.（2005）。全局耦合非线性振荡器的同步：Kuramoto模型的丰富行为。俄亥俄卫斯理大学技术报告。
[5] Danino，T.、Mondragon-Palomino，O.、Tsimring，L.和；Hasty，J.（2010）。基因时钟的同步定额。《自然》，463，326–330·doi:10.1038/nature08753
[6] Elowitz，M.B.和；Leibler，S.（2000年）。转录调节器的合成振荡网络。《自然》，40335-338·doi:10.1038/35002125
[7] Ferziger，J.H.和；Peric，M.（1999）。流体动力学计算方法（第二版）。柏林：斯普林格。
[8] Fung，E.，Wong，W.W.，Suen，J.K.，Bulter，T.，Lee，S.和；Liao，J.C.（2008）。一种合成基因代谢振荡器。《自然》，435，118-122·doi:10.1038/nature03508
[9] Garcia-Ojalvo，J.、Elowitz，M.B.和；Strogatz，S.H.（2004）。模拟合成多细胞时钟：阻遏物与群体感应耦合。程序。国家。阿卡德。科学。，101(30), 10955–10960. ·Zbl 1064.92019年 ·doi:10.1073/pnas.0307095101
[10] Gonze，D.、Bernard，S.、Waltermann，C.、Kramer，A.和；Herzel，H.（2005）。耦合昼夜节律振荡器的自发同步。生物物理学。J.，89，120–129·doi:10.1529/biophysj.104.058388
[11] Goryachev，A.B.、Toh，D.J.和；Lee，T.（2006）。群体感应网络的系统分析：功能要求、网络拓扑和动力学常数施加的设计约束。生物系统，83，178–187·doi:10.1016/j.biosystems.2005.04.006
[12] Koseska，A.、Volkov，E.、Zaikin，A.和；Kurths，J.（2007a）。自诱导物耦合基因振荡器阵列的固有多稳定性。物理学。E版，75，031916–1–031916-8。
[13] Koseska，A.、Zaikin，A.、Garcia-Ojalvo，J.和；Kurths，J.（2007b）。细胞间耦合下基因表达振荡器的随机抑制。物理学。E版，75，031917–1–031917-9。
[14] Kuramoto，Y.（1984）。化学振荡、波浪和湍流。柏林：斯普林格·Zbl 0558.76051号
[15] Y.Kuramoto和；Nishikawa，I.（1987）。大型动力系统的统计宏观动力学。振荡器群中的相变情况。《统计物理学杂志》。，49, 569–605. ·Zbl 0965.82500号 ·doi:10.1007/BF01009349
[16] 库兹涅佐夫（A.Kuznetsov）、凯恩（M.Kaern）和；Kopell，N.（2004）。基于迟滞的遗传振荡器群体的同步性。SIAM J.应用。数学。，65(2), 392–425. ·Zbl 1090.34031号 ·doi:10.1137/S0036139903436029
[17] Li，C.，Chen，L.和；Aihara，K.（2007）。遗传振荡器网络的随机同步。BMC系统生物学，1（6）。
[18] Locke，J.C.W.，Westermark，P.O.，Kramer，A.和；Herzel，H.（2008）。全局参数搜索揭示了哺乳动物生物钟的设计原理。BMC系统生物学，2（22）。
[19] McMillen，D.、Kopell，N.、Hasty，J.和；Collins，J.J.（2002）。通过细胞间信号同步基因松弛振荡器。程序。国家。阿卡德。科学。，99（2），679-684·doi:10.1073/pnas.022642299
[20] Misra，J.C.和；Mitra，A.（2008年）。通过群体感应耦合的肿瘤样细胞聚集之间的同步：一项理论研究。计算。数学。申请。，55, 1842–1853. ·Zbl 1134.92015年 ·doi:10.1016/j.camwa.2007.06.027
[21] Müller，J.、Kuttler，C.、Hense，B.A.、Rothballer，M.和；Hartmann，A.（2006）。通过群体感应和维度还原进行细胞-细胞通信。数学杂志。生物学，53，672–702·Zbl 1113.92022号 ·数字对象标识代码：10.1007/s00285-006-0024-z
[22] Patankar，S.V.和；斯伯丁，D.B.（1971）。三维抛物线流中热量、质量和动量传递的计算程序。国际热质传递杂志。，15, 1787–1806. ·Zbl 0246.76080号 ·doi:10.1016/0017-9310（72）90054-3
[23] Preitner，N.、Damiola，F.、Lopez-Molina，L.、Zakany，J.、Duboule，D.、Albrecht，U.和；Schibler，U.（2002）。孤儿核受体REV-ERB{（α）}控制哺乳动物昼夜节律振荡器阳性肢体内的昼夜节制转录。细胞，110，251-260·doi:10.1016/S0092-8674（02）00825-5
[24] Rosenblum，M.、Pikovsky，A.、Kurths，J.、Schafer，C.和；Tass，P.A.（2001年）。《生物物理手册》（第4卷，第279-321页）。阿姆斯特丹：爱思唯尔。第9章。
[25] Russo，G.和；di Bernardo，M.（2009）。如何同步生物钟。J.计算。《生物学》，16（2），379–393·doi:10.1089/cmb.2008.21TT
[26] Sewell，G.（2005）。常微分方程和偏微分方程的数值解。纽约：Wiley·Zbl 1089.65053号
[27] Shiner，E.、Reddy，S.、Timmons，C.、Guigen，L.、Williams，S.和；Rumbaugh，K.（2004）。哺乳动物细胞中细菌自身诱导物检测系统的构建。生物处理。在线，6（1），268–276·doi:10.1251/bpo98
[28] Stricker，J.、Cookson，S.、Bennett，M.R.、Mather，W.H.、Tsimring，L.S.和；Hasty，J.（2008）。一种快速、稳定、可调的合成基因振荡器。《自然》，456516-520·doi:10.1038/nature07389
[29] Strogatz，S.H.（2000）。从Kuramoto到Crawford：探索耦合振子种群中同步化的开始。《物理D》，143，1–20·Zbl 0983.34022号 ·doi:10.1016/S0167-2789（00）00094-4
[30] Taylor，A.F.、Tinsley，M.R.、Wang，F.、Huang，Z.和；Showalter，K.（2009）。大群体化学振荡器中的动态群体感应和同步。科学，323614–617·doi:10.1126/science.1166253
[31] Tigges，M.、Marquez-Lago，T.T.、Stelling，J.和；Fussenegger，M.（2009年）。一种可调谐的合成哺乳动物振荡器。《自然》，457309–312·doi:10.1038/nature07616
[32] Wang，W.和；Slotine，J.J.（2005）。耦合非线性振子的部分收缩分析。生物网络。，92(1), 38–53. ·Zbl 1096.92001号 ·doi:10.1007/s00422-004-0527-x
[33] Waters，C.M.和；Bassler，B.L.（2005）。群体感应：细菌中的细胞间通信。细胞发育生物学评论。，21, 319–346. ·doi:10.1146/annurev.cellbio.21.012704.131001
[34] Winfree，A.T.（1967）。生物节律和耦合振荡器群体的行为。J.西奥。生物学，16，15-42·doi:10.1016/0022-5193（67）90051-3
[35] Zhou，T.，Zhang，J.，Yuan，Z.和；Chen，L.（2008）。基因振荡器的同步化。混沌，18037126-1–037126-20。
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