欧阳颀教授研究组发表文章揭示生物振荡网络的设计原则

北京大学物理学院/北京大学定量生物学中间欧阳颀教授研究组在Nature Communication杂志发表题为“Design principles for enhancing phase sensitivity and suppressing phase fluctuations simultaneously in biochemical oscillatory systems”的研究论文（doi:10.1038/s41467-018-03826-4）。文章报道了生物振荡功能在阔别平衡态的设计原则。

生物振荡网络作为生命体的内禀时钟，调节各种与时间信息相干的生命过程，因此必要在减小计时涨落的同时，保持对环境旌旗灯号的敏感性。对于处于热力学平衡态的体系，涨落耗散定理注解，高相应与低涨落不可能同时完成。但是生命体系处于非平衡态，并没有涨落耗散定理的束缚。对于振荡网络这一非平衡态体系，如何保持高敏感性和正确性，以及对应的热力学的设计原理，是一个紧张的行使物理原理理解生命体系的基本题目。

欧阳颀教授研究组与美国IBM沃森研究中间的涂豫海教授（北京大学物理学院/定量生物学中间长江讲座教授）睁开合作，首次从理论上揭示了生化反应网络优化振荡功设计原则。研究发现，通过增长体系的自由能耗散，振荡的计时正确性增长，这与之前的研究符合；更紧张的是，耗散的增长还能够加强体系对于外界旌旗灯号的相应，两者呈正比关系。通过对简单模型的解析发现，额外的自由能耗散可以增强振荡相位与振幅的耦合，借此来加强对旌旗灯号的相应，从而打破了平衡态的涨落相应关系。为了同时达到高敏感性和正确性，体系必要邃密的分配参与反应的非平衡环路中的自由能耗散。研究基于化学势与反应流提出了两条紧张的能量分配原则，并在相干实验数据分析中得到验证。

生物振荡网络是生命过程的时钟。能量耗散驱动反应环路，打破热力学平衡态束缚，同时减小振荡相位的扩散系数和线性加强相位相应的敏感性。

该文章的一位共同第一作者是北京大学物理学院本来科生费沉毅（现于普林斯顿大学攻读定量与计算生物学博士）；另外一位共同第一作者是物理学院原博士生曹远胜（现加州大学圣迭戈物理系博士后）。涂豫海教授为此文通信作者。该研究得到了国家天然科学基金和国家介观物理重点实验室的资助。

编辑：山石