Informácie

Aké sú obmedzenia pre operón?

Aké sú obmedzenia pre operón?


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

Z toho, čo som pochopil, pojem operón je voľne definovaný ako súbor génov, ktoré sa nachádzajú v rovnakej blízkosti v genóme.

Niektoré definície presadzujú, že operón je regulovaný iba jedným promótorom a všetky gény sú transkribované spoločne.

Ak je vyššie uvedená definícia prísna, znamenalo by to niekoľko vecí

  1. Gény sú opačné vlákna, nemôžu byť v rovnakom operóne (pretože sa nedajú prepísať spolu)
  2. Prekrývajúce sa gény nemôžu byť v rovnakom operóne z rovnakého dôvodu.

Uvedomujem si, že časť problému s týmito definíciami pramení z prebiehajúceho vyšetrovania tohto javu. Existujú však prísne normy týkajúce sa definície operónu? Aká je minimálna definícia operónu?

Relevantné odkazy


Z Hendersonovho slovníka biológie 14 ed. Operón je: typ organizácie génov v baktériách, v ktorom sú gény kódujúce enzýmy metabolickej dráhy zoskupené v DNA a spolu prepísané do jednej mRNA. Táto mRNA sa potom preloží, čím sa získajú jednotlivé proteíny. Expresia všetkých génov v operóne je riadená jediným promótorom.

Nie som si istý, čo je to prekrývajúci sa gén, ale podľa tejto definície áno, gény v opačných smeroch promótora alebo rôznych lokusov nemôžu byť súčasťou operónu, pretože by neboli na rovnakej mRNA.


Regulácia aktivity enzýmov aktiváciou alebo inhibíciou | Biochémia

V súvislosti s tryptofánovým operónom, že prebytok tryptofánu môže spôsobiť represiu génov tohto operónu, čo vedie k zastaveniu syntézy enzýmov potrebných na tvorbu tryptofánu.

Okrem tejto možnosti represie veľmi často existuje spätná inhibícia, tj možnosť, že esenciálny metabolit (aminokyselina, nukleotid atď.), ktorý je konečným produktom série biosyntetických reakcií, inhibuje aktivitu enzýmu katalyzujúceho jedna z prvých reakcií tejto série.

Inhibovaný enzým je vo všeobecnosti ten, ktorý katalyzuje prvú reakciu vedúcu špecificky ku konečnému produktu, a nie enzým, ktorý katalyzuje reakciu spoločnú pre niekoľko metabolických dráh, je to enzým nachádzajúci sa na strategickom spojení, ktorého aktivita je inhibovaná konečným produktom.

Tento typ regulácie je charakteristický najmä tým, že efektor (látka, ktorá aktivuje alebo inhibuje enzým) a substrát tohto enzýmu vo všeobecnosti nie sú izosterické, tj nemajú štruktúrnu analógiu (na rozdiel od situácie pri kompetitívnej inhibícii). analógmi substrátu). Preto sa nazývajú alosterické efektory, pričom pod pojmom alosterické enzýmy sa označujú enzýmy, u ktorých je tento typ kontroly pozorovaný.

1. Všeobecné vlastnosti alosterických enzýmov:

V súvislosti s aspartát transkarbamylázou sú niektoré dôležité charakteristiky regulácie na úrovni alosterických enzýmov, ale tu je zaujímavé zhodnotiť hlavné vlastnosti.

A. Kinetika reakcií katalyzovaných alosterickými enzýmami:

Vo všeobecnosti majú alosterické enzýmy špeciálne kinetické vlastnosti a pri štúdiu zmeny rýchlosti ako funkcie koncentrácie substrátu sa nedosiahne vetva rovnostrannej hyperboly ako v prípade väčšiny enzýmov, ale sigmoidná krivka. Táto krivka v tvare S odráža kooperatívny účinok, t. j. skutočnosť, že najmenej 2 molekuly substrátu interagujú s enzýmom a že väzba prvej molekuly uľahčuje väzbu druhej.

Veľmi často sa takýto kooperatívny účinok prejavuje aj pri väzbe alosterických efektorov (pozri obr. 8-13), čo naznačuje, že väzba prvej molekuly alosterického aktivátora (alebo inhibítora) podporuje väzbu druhej. Tieto výsledky už naznačujú, že existuje viac ako jedno katalytické miesto a viac ako jedno alosterické miesto na molekulu enzýmu a naznačujú polymérnu alebo oligomérnu povahu alosterických enzýmov.

Neuviedli sme, kde sa alosterický efektor viaže, ale naše znalosti o špecifickosti interakcie enzým-substrát a naše pozorovania o absencii akejkoľvek štruktúrnej podobnosti medzi substrátom a efektorom naznačujú, že alosterické efektory sa neviažu na aktívne miesta, ale na rôzne miesta nazývané alosterické miesta.

Berúc do úvahy esovitú povahu kriviek vyjadrujúcich enzymatickú aktivitu ako funkciu buď substrátu, alebo alosterického inhibítora (pozri obr. 8-13), je teda prahový účinok, keď sa koncentrácia inhibítora zvýši alebo keď sa zvýši koncentrácia substrátu.

Pod prahovou hodnotou zvýšenie [S] (pozri obr. 2-12) alebo [I] nespôsobí významnú zmenu rýchlosti, ale za prahom sa rýchlosť značne líši pri relatívne malom zvýšení [S] alebo [I ]. To umožňuje bunke upraviť enzymatickú aktivitu podľa relatívne malých variácií [S] alebo [I], ktoré sa však vyskytujú v zóne kritickej koncentrácie, ktorá zodpovedá intracelulárnym koncentráciám zahrnutých metabolitov.

B. Pôsobenie alosterických efektorov:

Existujú rôzne typy alosterických inhibítorov a pomocou Lineweaver-Burkovho grafu sa zistilo, že niektoré alosterické inhibítory sú kompetitívneho typu a iné nekompetitívneho typu. Ale na rozdiel od toho, čo sme videli pri štúdiu kompetitívnej inhibície konvenčných enzýmov, neexistuje žiadna súťaž - v prípade alosterických enzýmov - medzi S a I o aktívne miesto enzýmu (pretože nemajú žiadnu štrukturálnu analógiu).

Dva typy inhibítorov sa viažu na alosterické miesta, odlišné od aktívnych miest, ako ukázali experimenty desenzibilizácie a frakcionácie podjednotiek. V prípade nekompetitívneho al­losterického inhibítora teda väzba I na alosterické miesto enzýmu za vzniku E-I môže spôsobiť zmenu konformácie, ktorá stále umožňuje naviazanie S na E-S-I, ale 1/Vmax je zvýšená preto Vmax je nižšia.

Počas väzby kompetitívneho inhibítora na alosterické miesto dochádza k zmene konformácie, alosterickému prechodu, ktorý spôsobuje spätné účinky na aktívne miesto, na ktoré sa už S nemôže viazať. Dochádza k poklesu o -1/Kmt.j. zvýšenie o Kminými slovami zníženie afinity enzýmu k S. Existuje typ zmiešanej inhibície, charakterizovaný zvýšením o 1/Vmax tj pokles o Vmax, ako aj zvýšenie Kmt.j. zníženie afinity enzýmu k S.

Videli sme, ako alosterický prechod spôsobený väzbou aktivátora podporuje väzbu substrátu. Táto zmena konformácie enzýmu spôsobuje zníženie Kmt.j. zvýšenie afinity k S.

Krivka predstavujúca kinetiku reakcie sa môže zmeniť z esovitej formy na hyperbolickú formu (pozri krivku 2 na obrázku 2-12), ale treba byť veľmi opatrný, pretože sa v niektorých prípadoch ukázalo, že táto zmena poradia reakcia bola iba zdanlivá (bolo to spôsobené nepresnosťou v prvej časti krivky, ktorá nevykazovala sigmoidný charakter).

C. Desenzibilizácia a disociácia alosterických enzýmov:

Alosterické enzýmy sa môžu stať necitlivými voči alosterickým efektorom, buď po mutácii, alebo in vitro fyzikálnym alebo chemickým spracovaním: zmenami pH, teploty, pôsobením iónovej sily močoviny, ortuťových činidiel, proteolytických enzýmov atď.

Táto desenzibilizácia vo všeobecnosti neovplyvňuje katalytickú aktivitu, čo podporuje hypotézu oddelených katalytických a alosterických miest. Často sa prejavuje modifikáciou kinetiky, ktorá sa mení zo sigmoidnej formy na hyperbolickú “Michaelskú” formu. Skutočnosť, že enzým zachováva katalytickú aktivitu, ale už nie je citlivý na alosterické miesto, bola najprv interpretovaná ako znak zmeny alosterického miesta (desenzibilizačným činidlom), ktorá neovplyvňuje katalytické miesto.

V skutočnosti, aby sa prejavili regulačné účinky, musia byť nielen alosterické miesta neporušené a efektory schopné sa na tieto miesta viazať, ale musí byť zachovaná aj konformácia enzýmu, ktorá umožní alosterický prechod a najmä spätné pôsobenie – pri katalytické miesto – udalosti ovplyvňujúcej alosterické miesto.

V skutočnosti sa v niektorých prípadoch pozorovalo, že po desenzibilizácii sa efektor môže stále viazať na alosterické miesto, naopak, v dôsledku modifikácie priestorovej štruktúry enzýmu dochádza k vymiznutiu kooperatívnych interakcií medzi rôznymi katalytickými miestami. tej istej molekuly enzýmu, medzi jej rôznymi alosterickými miestami a medzi jej katalytickými a alosterickými miestami, čím sa zabráni alosterickému prechodu.

Tento alosterický prechod pozostáva z modifikácie väzieb spájajúcich promótory navzájom, čo umožňuje prechod enzýmu z uvoľneného stavu do obmedzeného stavu alebo naopak (pozri obr. 8-14).

Existencia oddelených miest pre substrát a inhibítor, potvrdená ex-hyperimentálne v mnohých prípadoch, je obzvlášť evidentná, keď je možné disociovať alosterický enzým v odlišných podjednotkách, z ktorých niektoré nesú katalytické miesta a iné nesú alosterické miesta.

To je prípad napríklad aspartáttranskarbamylázy, ktorá je inhibovaná CTP a aktivovaná ATP, môže byť znecitlivená teplom alebo močovinou, ale môže byť tiež disociovaná ortuťovými činidlami: natívny enzým (molekulová hmotnosť = 310 000) pozostáva zo 6 polypeptidové reťazce s katalytickou aktivitou (molekulová hmotnosť = 33 000), z ktorých každý má miesto pre väzbu substrátu, a 6 regulačných reťazcov (molekulová hmotnosť = 17 000), ktoré umožňujú väzbu 6 CTP.

Pri izolácii katalytických podjednotiek sa pozoruje, že ich špecifická aktivita (množstvo substrátu transformovaného za jednotku času, vztiahnuté na množstvo proteínu) je väčšia ako aktivita natívneho enzýmu, čo nie je prekvapujúce, pretože eliminácia regulačnej podjednotky -jednotky – neaktívne v procese katalýzy – je istým spôsobom čistenie enzýmu, ak sa vezme do úvahy iba katalytické hľadisko.

D. Model Monod, Wyman a Changeux:

Na vysvetlenie javov pozorovaných počas štúdia alosterických enzýmov títo autori navrhli model, ktorého dôležité charakteristiky sú nasledovné:

1. Alosterické enzýmy sú oligoméry, ktorých protoméry sú spojené tak, že molekula obsahuje aspoň jednu os symetrie (protomér je definovaný ako štruktúra, ktorá má väzbové miesto pre každý ligand, teda pre každú látku schopnú sa viazať – tj substrát , aktivátor a inhibítor – a nesmie sa zamieňať za podjednotku, ktorá je výsledkom disociácie enzýmu a môže obsahovať – ako v prípade aspartát-transkarbamylázy – iba jedno miesto, katalytické alebo alosterické)

2. Každý protomér má iba jedno miesto umožňujúce tvorbu jedného špecifického komplexu s každou kategóriou ligandu

3. Alosterický enzým môže mať rôzne, ale vzájomne konvertibilné konformácie. Často sa hovorí o uvoľnenom stave a obmedzenom stave. Tieto stavy sú v rovnováhe a líšia sa buď distribúciou a energiou väzieb medzi protomérmi (ktoré určujú obmedzenia uložené olejovým protomérom), alebo afinitou rôznych miest pre zodpovedajúce ligandy.

Obrázok 8-14 ukazuje jednoduchý diagram - iba s 2 protomérmi - na ilustráciu modelu. Najprv existuje rovnováha medzi uvoľnenou formou a obmedzenou formou, ak jeden z ligandov (napr. substrát) má väčšiu afinitu k jednej z týchto 2 foriem, relatívne malá koncentrácia tohto ligandu umožní väzbu substrátu. molekuly na protomér zabezpečenej formy, čo posunie rovnováhu v prospech tejto formy a uľahčí väzbu substrátu.

Ale zvýšenie koncentrácie antagonistického ligandu (tu inhibítora) stačí na to, aby sa rovnováha posunula opačným smerom. Alosterické javy sú reverzibilné a závisia od koncentrácií rôznych ligandov. Takýto model vysvetľuje skutočnosť, že sigmoidná krivka sa získa, keď je rýchlosť vyjadrená ako funkcia [S] alebo [I].

Schéma z obr. 8-14 platí pre alosterický enzým typu K. V tomto prípade je v neprítomnosti substrátu rovnováha v prospech formy s nízkou afinitou k substrátu. Ale ako bolo uvedené vyššie, keď sa [S] zväčší, rovnováha sa posunie v prospech formy, ktorá má väčšiu afinitu k S.

Naopak, rovnováha je posunutá inhibítorom v prospech formy s nízkou afinitou k S a alosterický prechod spočíva práve v tejto zmene rovnováhy. Inhibítor teda znižuje afinitu enzýmu k S (zvyšuje sa Ks) a naopak substrát znižuje afinitu enzýmu k inhibítoru (K, zvyšuje), z čoho pochádza názov enzým typu K.

Na vysvetlenie kinetických vlastností alosterických proteínov boli navrhnuté ďalšie modely. Podľa modelu indukovaného prispôsobenia navrhnutého Koshlandom, Nemethym a Filmerom existuje iba jedna konfigurácia proteínu v neprítomnosti ligandu, zdá sa, že väzba ligandu indukuje konformnú modifikáciu protoméru, ktorá transformuje interakcie medzi podjednotky a mení katalytické vlastnosti.

Zdá sa, že konformácia enzymatického proteínu, ktorý sme nazvali terciárna a kvartérna štruktúra, nie je výlučne určená primárnou štruktúrou. V skutočnosti sa pozoruje, že malé molekuly (substráty, aktivátory, inhibítory) sú schopné naviazaním na špecifické miesta spôsobiť mierne modifikácie priestorovej štruktúry proteínu.

2. Hlavné režimy nariadenia:

1. Inhibícia spätnou väzbou spočíva v inhibícii prvého enzýmu reakčnej série metabolitom, ktorý je konečným produktom tejto série. Intracelulárna koncentrácia tohto metabolitu teda riadi rýchlosť jeho vlastnej biosyntézy. V nasledujúcom texte uvažujeme o spätnej inhibícii v priamych a rozvetvených reakčných sériách.

2. Aktivácia enzýmu prekurzorom substrátu alebo substrátom samotným.

3. Aktivácia produktom degradácie terminálneho metabolitu spôsobujúca nové zvýšenie koncentrácie tohto metabolitu (čo môže byť napríklad látka s vysokým energetickým potenciálom).

4. Aktivácia enzýmu metabolickej série vedúcej k metabolitu A metabolitom B, ktorý je syntetizovaný nezávislou sériou, keď A aj B sú potrebné na syntézu rovnakých makromolekúl, čo umožňuje koordinovanú produkciu prekurzorov (v prípade nukleotidov).

Aktivita alosterického enzýmu môže byť riadená niekoľkými z týchto regulačných režimov. Aspartát transkarbamyláza, prvý enzým dráhy vedúcej k syntéze pyrimidínových nukleotidov, je teda spätnou väzbou inhibovaná terminálnym produktom (CTP), aktivovaná substrátom a tiež aktivovaná ATP, ribonukleozidtrifosfátom potrebným spoločne s UTP a CTP – pre biosyntézu RNA.

3. Inhibícia spätnej väzby v priamych a rozvetvených reakčných reťazcoch:

A. Inhibícia spätnej väzby v reťazcoch priamych reakcií:

V priamych metabolických sekvenciách je to vo všeobecnosti prvý enzým (E1), čo je regulačný enzým, t.j. enzým, ktorý podlieha kontrole alosterického typu. Pod pojmom “prvý enzým” treba vo všeobecnosti rozumieť enzýmu, ktorý katalyzuje prvú reakciu špecifickú pre príslušné metabolické dráhy.

Napríklad v prípade biosyntézy pyrimidínribozhynukleotidov je to aspartáttranskarbamyláza, ktorá podlieha spätnej kontrole a nie enzým umožňujúci syntézu karbamylfosfátu alebo aspartátu, tieto dve zlúčeniny môžu vstúpiť aj do iných metabolických dráh, pričom ich kombinácia dať karbamyl aspartát je naozaj prvá reakcia vedúca špecificky k pyrimidínovým nukleotidom. Prvý enzým reťazca je vo všeobecnosti jediný, ktorý je inhibovaný konečným produktom, jeho aktivita preto určuje fungovanie celého sledu reakcií.

Inhibícia tohto enzýmu konečným produktom reťazca reakcií je evidentne zaujímavá. Keď je tento konečný produkt v nadbytku, inhibičný účinok, ktorý má na prvý enzým, znižuje rýchlosť tejto prvej reakcie a následne obmedzuje jeho vlastnú biosyntézu. Keďže séria biosyntetických reakcií zvyčajne vyžaduje energiu, tento regulačný proces umožňuje bunke šetriť energiu.

Táto ekonomika je však menšia ako ekonomika dosiahnutá procesom represie: keď je látky X prebytočné, represia umožňuje bunke zbaviť sa nielen biosyntetických reakcií X, ale aj transkripcie a prepisovania génov do mRNA a translácie polycistrónovej mRNA do enzýmov potrebných na biosyntézu X, zatiaľ čo pri spätnej inhibícii sú potrebné enzýmy prítomné, ale nefungujú.

Naopak, inhibícia spätnou väzbou sa javí ako proces rýchlejší ako represia. Nadbytok látky X môže okamžite inhibovať prvý enzým reťazca reakcií vedúcich k X, zatiaľ čo účinky represie sa prejavia až po vymiznutí – prostredníctvom katabolizmu – molekúl enzýmov a mRNA existujúcich v bunke (a ktoré nie sú nahradené, pretože expresia zodpovedajúcich génov je blokovaná).

Inhibícia spätnej väzby, ktorá je založená – ako už bolo spomenuté vyššie – na fenoméne alosterického prechodu, tj na posune rovnovážneho stavu v prospech jednej z dvoch konformácií enzýmu, je ľahko reverzibilný proces, veľmi citlivý na malé odchýlky koncentrácie ligandov nad určitým prahom, a preto sa vyznačuje veľkou flexibilitou.

B. Inhibícia spätnej väzby v reťazcoch rozvetvených reakcií:

Inhibícia spätnej väzby spôsobuje zvláštne problémy v prípade rozvetvených reakčných reťazcov, kde sa možno a priori obávať, že prebytok konečného produktu jedného z rozvetvení spôsobí – ak inhibuje prvý enzým reťazca – zastavenie syntézy látok. produkované inými vetveniami, látky, ktoré nie sú nevyhnutne v nadbytku.

Na štúdium týchto problémov si vezmeme príklad biosyntézy aminokyselín pochádzajúcich z aspartátu, čo nám umožní študovať ich reguláciu pomocou zjednodušeného diagramu.

a) Inhibícia spätnej väzby obmedzená na pobočky:

Ako je znázornené na obrázku 8-15, aminokyselina, ktorá je konečným produktom vetvenia, môže inhibovať prvý krok sledu reakcií vedúcich len k jej biosyntéze. Biosyntéza iných aminokyselín teda nie je ovplyvnená. Lyzín inhibuje, dihydro-dipikolinátsyntetázu, treonín inhibuje homoserínkinázu (HK), metionín inhibuje sukcinyláciu homoserínu a izoleucín inhibuje treoníndeaminázu (TD).

b) izoenzýmová kontrola:

V E. coli boli identifikované tri aspartokinázy (AK), každá z nich je podrobená regulácii špecifickým represívnym mechanizmom a dve sú podrobené spätnej inhibícii, ktorá je tiež špecifická.

Okrem toho existujú aj 2 homoseríndehydrogenázy (HSDH), ktorých regulácia je identická s reguláciou prvých dvoch aspartokináz, ako ukazuje nasledujúca tabuľka:

Ukázalo sa, že dve katalytické aktivity AK I a HSDH I sú prenášané jedným a tým istým polypeptidovým reťazcom, to isté platí pre aktivity AK II a HSDH II. Je zrejmé, že existencia, napríklad v prípade aspartokinázy, 3 izoenzýmov, ktorých syntéza a aktivita sú riadené rôznymi terminálnymi produktmi, umožňuje bunke – v prípade represie biosyntézy alebo inhibície aktivity jednej z aspartokináz kvôli vysokej koncentrácii jednej aminokyseliny – pokračovať v syntéze ostatných aminokyselín odvodených z aspartátu vďaka ďalším dvom aspartokinázam, ktoré nie sú ovplyvnené. Existencia 3 izoenzýmov, ktoré katalyzujú túto prvú reakciu, umožňuje nezávislú reguláciu rôznymi terminálnymi produktmi (obr. 8-16).

c) Inhibícia zosúladenej alebo multivalentnej spätnej väzby:

V niektorých organizmoch rodu Rhodopseudomonas alebo Bacillus existuje iba jedna aspartokináza, ktorá nie je ovplyvnená nadbytkom iba jedného z terminálnych produktov (Lys, Thr, Ile), ale ktorá je spätne inhibovaná pri nadbytku lyzínu aj treonínu. . Táto zosúladená spätná inhibícia však nie je úplná, čo umožňuje syntézu metionínu.

Iné možnosti kontroly existujú v niektorých organizmoch v tomto rozvetvenom reťazci biosyntézy aminokyselín pochádzajúcich z aspartátu. Nemôžeme študovať všetky, ale typy regulácie, ktoré sme skúmali, ukazujú, že živé organizmy v priebehu evolúcie vybrali rôzne mechanizmy, aby vyriešili špeciálne problémy, ktoré predstavuje regulácia v metabolických dráhach, ktoré predstavujú vetvenia.


Výučba veľkých myšlienok biológie s modelmi operónov

Tento článok predstavuje aktivitu, ktorá zapája študentov do modelového uvažovania a vyžaduje, aby predpovedali správanie operónov trp a lac v rôznych podmienkach prostredia. Študentom je prezentovaných šesť scenárov pre trp operón a päť pre lac operón. Vo väčšine scenárov sa v genetických prvkoch systému vyskytli špecifické mutácie, ktoré menia správanie oproti norme. Študenti sú tiež vyzvaní, aby spojili svoje chápanie správania operónov s „veľkými myšlienkami“ homeostázy, evolúcie, informácií, interakcií a vznikajúcich vlastností. Používaním operónov na to, aby sme študentov naučili uvažovať s modelmi zložitých systémov a porozumieť širokým témam, ich vybavujeme výkonnými zručnosťami a nápadmi, ktoré tvoria pevný základ pre ich budúce učenie sa v biológii.

Denník

Americký učiteľ biológie &ndash University of California Press

Publikovaný: 1. januára 2015

Kľúčové slová: Kľúčové slová: biochémia biologické témy základné pojmy disciplinárne kľúčové myšlienky modelové uvažovanie molekulárna biológia operóny riešenie problémov


Nešpecifická väzba DNA proteínov regulujúcich genóm ako biologický kontrolný mechanizmus: 1. lac Operón: Aspekty rovnováhy

Regulačný systém laktózového operónu bol “modelovaný” súborom rovníc hmotnostnej akcie a konzervačných obmedzení, ktoré opisujú systém v rovnováhe. �se-set” hodnôt väzbových konštánt a celkových koncentrácií zložiek bol zostavený z dostupných experimentálnych údajov a simultánnych rovníc vyriešených počítačovými postupmi, aby sa získali rovnovážne koncentrácie všetkých relevantných molekulárnych druhov. Ak vezmeme do úvahy samotný systém operátor-represor-induktor, ukazuje sa, že in vivo bazálnych a indukovaných (derepresívnych) hladín lac syntéza enzýmov v divokom type aj v určitých mutantoch Escherichia coli možno započítať len vtedy, ak je väzba represorových komplexov a komplexov represor-induktor na nešpecifické miesta DNA zahrnutá do výpočtov ako integrálna súčasť kontrolného systému ovralu. Podobný prístup bol aplikovaný na systém RNA polymeráza-promótor, aby sa ukázalo, že sigma faktor môže modulovať všeobecnú úroveň transkripcie v bunke ȁindukciou” polymerázy z nešpecifických väzbových miest DNA, a tak ho sprístupniť promótorom. Konkurenčné a nekonkurenčné modely interakcie represora a polymerázy v lac operón možno v zásade rozlíšiť týmito výpočtovými postupmi, hoci údaje dostatočné na to, aby umožnili jednoznačné rozlíšenie medzi modelmi, v súčasnosti nie sú k dispozícii. Avšak pre akýkoľvek model kompetitívnej väzby výsledky ukazujú, že represia v celku (operátor-represor-RNA polymeráza-lac promótorový systém môže nastať len preto, že nešpecifická väzba regulačných proteínov znižuje koncentráciu voľnej polymerázy v porovnaní s koncentráciou represora na vhodné úrovne.


Obsah

Rekapitulácia Edit

Rekapitulačná teória evolučného vývoja bola navrhnutá Étienne Serresom v rokoch 1824 – 26, v súlade s myšlienkami Johanna Friedricha Meckela z roku 1808. Tvrdili, že embryá „vyšších“ zvierat prešli alebo rekapitulovali sériu štádií, z ktorých každé pripomínalo zviera nižšie vo veľkom reťazci bytia. Napríklad mozog ľudského embrya vyzeral najprv ako mozog ryby, potom ako mozog plaza, vtáka a cicavca, než sa stal jasne človekom. Proti tomu sa postavil embryológ Karl Ernst von Baer, ​​ktorý v roku 1828 tvrdil, že neexistuje lineárna postupnosť ako vo veľkom reťazci bytia, založená na jedinom telesnom pláne, ale ide o proces epigenézy, v ktorom sa štruktúry diferencujú. Von Baer namiesto toho rozpoznal štyri odlišné telesné plány zvierat: radiálne, ako mäkkýše hviezdice, ako artikulované mušle, ako homáre a stavovce ako ryby. Zoológovia potom do značnej miery upustili od rekapitulácie, hoci ju Ernst Haeckel v roku 1866 oživil. [2] [3] [4] [5] [6]

Evolučná morfológia Edit

Od začiatku 19. storočia až po väčšinu 20. storočia čelila embryológia záhade. Bolo vidieť, že zvieratá sa z vajíčka vyvinuli na dospelých jedincov s veľmi odlišným telesným plánom, často v podobných štádiách, ale zoológovia nevedeli takmer nič o tom, ako je embryonálny vývoj riadený na molekulárnej úrovni, a preto rovnako málo o tom, ako sa vývojové procesy vyvíjali. [7] Charles Darwin tvrdil, že zdieľaná embryonálna štruktúra implikuje spoločného predka. Ako príklad toho uviedol Darwin vo svojej knihe z roku 1859 O pôvode druhov garnáta podobná larve bradáča, ktorej dospelí prisadnutí nevyzerali ako iné článkonožce, ktoré Linnaeus a Cuvier klasifikovali ako mäkkýše. [8] [9] Darwin si tiež všimol zistenie Alexandra Kowalevského, že plášťovec tiež nebol mäkkýš, ale vo svojom larválnom štádiu mal notochordu a hltanové štrbiny, ktoré sa vyvinuli z rovnakých zárodočných vrstiev ako ekvivalentné štruktúry u stavovcov, a mali by preto sa s nimi zoskupujte ako strunatce. [8] [10] Zoológia 19. storočia tak premenila embryológiu na evolučnú vedu, spájajúcu fylogenézu s homológiami medzi zárodočnými vrstvami embryí. Zoológovia vrátane Fritza Müllera navrhli použitie embryológie na objavenie fylogenetických vzťahov medzi taxónmi. Müller preukázal, že kôrovce zdieľali larvu Nauplius, pričom identifikoval niekoľko parazitických druhov, ktoré neboli rozpoznané ako kôrovce. Müller tiež rozpoznal, že prirodzený výber musí pôsobiť na larvy, rovnako ako na dospelých, čo dáva klamstvo rekapitulácii, ktorá by vyžadovala, aby boli larválne formy chránené pred prirodzeným výberom. [8] Dve ďalšie Haeckelove myšlienky o vývoji vývoja dopadli lepšie ako rekapitulácia: v 70. rokoch 19. storočia tvrdil, že zmeny v načasovaní (heterochrónia) a zmeny v umiestnení v tele (heterotopia) aspektov embryonálneho vývoja budú viesť evolúcia zmenou tvaru tela potomka v porovnaní s predkom. Trvalo storočie, kým sa tieto myšlienky ukázali ako správne. [11] [12] [13] V roku 1917 napísal D'Arcy Thompson knihu o tvaroch zvierat, v ktorej jednoduchou matematikou ukázal, ako malé zmeny parametrov, ako sú uhly špirálovej škrupiny ulitníkov, môžu radikálne zmeniť stav zvieraťa. forme, hoci uprednostňoval mechanické pred evolučným vysvetlením. [14] [15] Ale na ďalšie storočie, bez molekulárnych dôkazov, sa pokrok zastavil. [8]

Moderná syntéza zo začiatku 20. storočia Edit

V takzvanej modernej syntéze na začiatku 20. storočia Ronald Fisher spojil Darwinovu evolučnú teóriu s jej dôrazom na prirodzený výber, dedičnosť a variácie a genetické zákony Gregora Mendela do koherentnej štruktúry pre evolučnú biológiu. Biológovia predpokladali, že organizmus je priamym odrazom génov, ktoré sú súčasťou jeho génov: génov kódovaných pre bielkoviny, ktoré stavali telo organizmu. Biochemické dráhy (a predpokladali, že nové druhy) sa vyvinuli prostredníctvom mutácií v týchto génoch. Bol to jednoduchý, jasný a takmer úplný obraz: nevysvetľoval však embryológiu. [8] [16]

Evolučný embryológ Gavin de Beer predvídal evolučnú vývojovú biológiu vo svojej knihe z roku 1930 Embryá a predkovia, [17] tým, že ukazuje, že evolúcia môže prebiehať heterochróniou, [18] ako napríklad pri zachovaní juvenilných znakov u dospelých. [11] De Beer tvrdil, že by to mohlo spôsobiť očividne náhle zmeny vo fosílnom zázname, pretože embryá slabo fosilizujú. Keďže medzery vo fosílnych záznamoch boli použité ako argument proti Darwinovej postupnej evolúcii, de Beerovo vysvetlenie podporilo darwinovský postoj. [19] Napriek de Beerovi však moderná syntéza do značnej miery ignorovala embryonálny vývoj, aby vysvetlila formu organizmov, pretože populačná genetika sa javila ako adekvátne vysvetlenie toho, ako sa formy vyvíjali. [20] [21] [a]

Operón lac Edit

V roku 1961 Jacques Monod, Jean-Pierre Changeux a François Jacob objavili lac operón v baktérii Escherichia coli. Bol to zhluk génov, usporiadaných do spätnoväzbovej riadiacej slučky tak, aby jeho produkty vznikali len vtedy, keď sa „zapnú“ podnetom z prostredia. Jedným z týchto produktov bol enzým, ktorý štiepi cukor, laktóza a samotná laktóza bola stimulom, ktorý zapínal gény. Bolo to odhalenie, pretože sa po prvýkrát ukázalo, že gény, dokonca aj v organizme tak malom ako baktéria, podliehajú jemnozrnnej kontrole. Dôsledkom bolo, že mnoho ďalších génov bolo tiež komplikovane regulovaných. [23]

Zrodenie evo-devo a druhá syntéza Edit

V roku 1977 sa začala revolúcia v myslení o evolúcii a vývojovej biológii s príchodom technológie rekombinantnej DNA do genetiky a prác Ontogenéza a fylogenéza od Stephena J. Goulda a Evolúcia drotárstvom od Françoisa Jacoba. Gould odložil Haeckelovu interpretáciu evolučnej embryológie, zatiaľ čo Jacob predložil alternatívnu teóriu. [8] To viedlo k druhej syntéze [24] [25], ktorá napokon zahŕňala embryológiu, ako aj molekulárnu genetiku, fylogenézu a evolučnú biológiu s cieľom vytvoriť evo-devo. [26] [27] V roku 1978 objavil Edward B. Lewis homeotické gény, ktoré regulujú embryonálny vývoj v r. Drosophila ovocné mušky, ktoré sú ako každý hmyz článkonožce, jeden z hlavných kmeňov bezstavovcov. [28] Bill McGinnis rýchlo objavil homeotické génové sekvencie, homeoboxy, u zvierat v iných kmeňoch, u stavovcov, ako sú žaby, vtáky a cicavce, boli neskôr nájdené aj v hubách, ako sú kvasinky, a v rastlinách. [29] [30] Existovali evidentne silné podobnosti v génoch, ktoré riadili vývoj vo všetkých eukaryotoch. [31] V roku 1980 Christiane Nüsslein-Volhard a Eric Wieschaus opísali medzerové gény, ktoré pomáhajú vytvoriť segmentačný vzor v embryách ovocných mušiek [32] [33] spolu s Lewisom získali Nobelovu cenu za svoju prácu v roku 1995. [29] [ 34]

Neskôr boli objavené konkrétnejšie podobnosti: napríklad v roku 1989 sa zistilo, že gén Distal-less sa podieľa na vývoji príveskov alebo končatín u ovocných mušiek, [35] plutvy rýb, krídla kurčiat, parapódia morské annelid červy, ampulky a sifóny plášťovcov a labky morských ježkov. Bolo evidentné, že gén musí byť prastarý, siahajúci až k poslednému spoločnému predkovi bilaterálnych zvierat (pred ediakarským obdobím, ktoré začalo asi pred 635 miliónmi rokov). Evo-devo začalo odhaľovať spôsoby, akými sa počas vývoja stavali všetky telá zvierat. [36] [37]

Hlboká homológia Edit

Zhruba guľovité vajíčka rôznych zvierat dávajú vznik mimoriadne odlišným telám, od medúz cez homáre, motýle až po slony. Mnohé z týchto organizmov zdieľajú rovnaké štrukturálne gény pre proteíny na stavbu tela, ako je kolagén a enzýmy, ale biológovia očakávali, že každá skupina zvierat bude mať svoje vlastné pravidlá vývoja. Prekvapením evo-devo je, že tvarovanie tela je riadené pomerne malým percentom génov a že tieto regulačné gény sú prastaré a zdieľajú ich všetky zvieratá. Žirafa nemá gén pre dlhý krk, rovnako ako slon má gén pre veľké telo. Ich telá sú vzorované systémom prepínania, ktorý spôsobuje, že vývoj rôznych čŕt začína skôr alebo neskôr, vyskytuje sa v tej či onej časti embrya a pokračuje viac či menej času. [7]

Hádanka o tom, ako bol embryonálny vývoj kontrolovaný, sa začala riešiť pomocou ovocnej mušky Drosophila melanogaster ako modelový organizmus. Postupná kontrola jeho embryogenézy bola vizualizovaná pripojením fluorescenčných farbív rôznych farieb na špecifické typy proteínov vytvorených génmi exprimovanými v embryu. [7] Farbivo, ako je zelený fluorescenčný proteín, pôvodne z medúzy, bolo zvyčajne naviazané na protilátku špecifickú pre proteín ovocnej mušky, čím sa vytvoril presný indikátor toho, kde a kedy sa tento proteín objavil v živom embryu. [38]

Použitím takejto techniky v roku 1994 Walter Gehring zistil, že číslo-6 gén, ktorý je životne dôležitý pre tvorbu očí ovocných mušiek, sa presne zhoduje s génom pre tvorbu očí u myší a ľudí. Rovnaký gén bol rýchlo nájdený v mnohých ďalších skupinách zvierat, ako je napríklad chobotnica, hlavonožec. Biológovia vrátane Ernsta Mayra verili, že oči vznikli v živočíšnej ríši najmenej 40-krát, pretože anatómia rôznych typov očí sa značne líši. [7] Napríklad zložené oko ovocnej mušky je tvorené stovkami malých šošovkovitých štruktúr (ommatídia), ľudské oko má slepú škvrnu, kde zrakový nerv vstupuje do oka a nervové vlákna prebiehajú po povrchu sietnice, takže svetlo musí prejsť vrstvou nervových vlákien, kým sa dostane k detekčným bunkám v sietnici, takže štruktúra je efektívne „hore nohami“, na rozdiel od toho oko hlavonožca má sietnicu, potom vrstvu nervových vlákien, potom stenu oko "správnym smerom". [39] Dôkazy o číslo-6, však bolo, že rovnaké gény riadili vývoj očí všetkých týchto zvierat, čo naznačuje, že sa všetky vyvinuli zo spoločného predka. [7] Staroveké gény boli počas miliónov rokov evolúcie konzervované, aby sa vytvorili odlišné štruktúry pre podobné funkcie, čo demonštruje hlbokú homológiu medzi štruktúrami, ktoré sa kedysi považovali za čisto analogické. [40] [41] Tento pojem sa neskôr rozšíril na evolúciu embryogenézy [42] a spôsobil radikálnu revíziu významu homológie v evolučnej biológii. [40] [41] [43]

Gene Toolkit Edit

Malá časť génov v genóme organizmu riadi vývoj organizmu. Tieto gény sa nazývajú vývojovo-genetické nástroje. Medzi fylami sú vysoko konzervované, čo znamená, že sú staré a veľmi podobné v široko oddelených skupinách zvierat. Rozdiely v nasadení génov súpravy nástrojov ovplyvňujú plán tela a počet, identitu a vzor častí tela. Väčšina génov súpravy nástrojov je súčasťou signálnych dráh: kódujú transkripčné faktory, proteíny bunkovej adhézie, proteíny receptorov bunkového povrchu a signálne ligandy, ktoré sa na ne viažu, a vylučované morfogény, ktoré difundujú cez embryo. To všetko pomáha definovať osud nediferencovaných buniek v embryu. Spoločne vytvárajú vzory v čase a priestore, ktoré formujú embryo a v konečnom dôsledku tvoria telesný plán organizmu. Medzi najdôležitejšie gény súpravy nástrojov patria Hox génov. Tieto transkripčné faktory obsahujú motív DNA viažuci proteín homeoboxu, ktorý sa nachádza aj v iných génoch súpravy nástrojov, a vytvárajú základný vzor tela pozdĺž jeho osi spredu dozadu. [43] Hox gény určujú, kde vo vyvíjajúcom sa embryu alebo larve budú rásť opakujúce sa časti, ako napríklad mnohé stavce hadov. [7] Pax-6, už spomenutý, je klasickým nástrojovým génom. [44] Hoci sa pri vytváraní rastlinného telesného plánu podieľajú aj iné gény súpravy nástrojov, [45] gény homeoboxu sa nachádzajú aj v rastlinách, čo znamená, že sú spoločné pre všetky eukaryoty. [46] [47] [48]

Regulačné siete embrya Edit

Proteínové produkty regulačnej sady nástrojov sa opätovne nevyužívajú duplikáciou a modifikáciou, ale komplexnou mozaikou pleiotropie, ktorá sa používa nezmenená v mnohých nezávislých vývojových procesoch, čím sa vytvára vzor pre mnohé odlišné telesné štruktúry.[43] Lokusy týchto pleiotropných génov súpravy nástrojov majú veľké, komplikované a modulárne cis-regulačné prvky. Napríklad, zatiaľ čo nepleiotropný rodopsínový gén v ovocnej muške má cis-regulačný element dlhý len niekoľko stoviek bázových párov, pleiotropná bezočivá cis-regulačná oblasť obsahuje 6 cis-regulačných elementov vo viac ako 7000 bázových pároch. [43] Príslušné regulačné siete sú často veľmi rozsiahle. Každý regulačný proteín riadi "skóre až stovky" cis-regulačných prvkov. Napríklad 67 transkripčných faktorov ovocných mušiek kontrolovalo v priemere 124 cieľových génov. [43] Celá táto zložitosť umožňuje, aby sa gény podieľajúce sa na vývoji embrya zapínali a vypínali presne v správny čas a na presne tých správnych miestach. Niektoré z týchto génov sú štrukturálne, priamo tvoriace enzýmy, tkanivá a orgány embrya. Ale mnohé ďalšie sú samotné regulačné gény, takže to, čo sa zapína, je často presne načasovaná kaskáda prepínania, ktorá zahŕňa zapnutie jedného vývojového procesu za druhým vo vyvíjajúcom sa embryu. [43]

Takáto kaskádovitá regulačná sieť bola podrobne študovaná pri vývoji embrya ovocnej mušky. Mladé embryo má oválny tvar ako rugbyová lopta. Malý počet génov produkuje messengerové RNA, ktoré vytvárajú koncentračné gradienty pozdĺž dlhej osi embrya. V ranom embryu, bicoid a hrbatý gény sú vo vysokej koncentrácii blízko predného konca a dávajú vzor budúcej hlave a hrudníku kaudálny a nano gény sú vo vysokej koncentrácii blízko zadného konca a poskytujú vzor najzadnejším brušným segmentom. Účinky týchto génov sa vzájomne ovplyvňujú, napríklad bikoidný proteín blokuje transláciu kaudálny's messenger RNA, takže koncentrácia kaudálneho proteínu sa na prednom konci zníži. Caudal neskôr zapne gény, ktoré vytvárajú najzadnejšie segmenty muchy, ale iba na zadnom konci, kde je najviac koncentrovaný. [49] [50]

Proteíny Bicoid, Hunchback a Caudal zase regulujú transkripciu medzerových génov, ako napr. obor, knirps, Krüppel, a bezchvostý v pruhovanom vzore, čím sa vytvorí prvá úroveň štruktúr, ktoré sa stanú segmentmi. [32] Proteíny z nich zase kontrolujú gény s párovým pravidlom, ktoré v ďalšom štádiu vytvárajú 7 pásov pozdĺž dlhej osi embrya. Nakoniec gény polarity segmentov ako napr zarytý rozdeliť každé zo 7 pásiem na dve, čím vznikne 14 budúcich segmentov. [49] [50]

Tento proces vysvetľuje presnú konzerváciu génových sekvencií súpravy nástrojov, čo má za následok hlbokú homológiu a funkčnú ekvivalenciu proteínov súpravy nástrojov u odlišných zvierat (pozorované napríklad, keď myšací proteín riadi vývoj ovocných mušiek). Interakcie transkripčných faktorov a cis-regulačných prvkov alebo signálnych proteínov a receptorov sa zablokujú prostredníctvom viacnásobného použitia, čím sa takmer každá mutácia stáva škodlivou, a teda eliminovaná prirodzeným výberom. [43]

Medzi prekvapivejšie a možno aj kontraintuitívne (z neodarwinistického hľadiska) výsledky nedávneho výskumu evolučnej vývojovej biológie patrí, že rozmanitosť telesných plánov a morfológie organizmov v mnohých kmeňoch sa nevyhnutne neodráža v rozmanitosti na úrovni sekvencie génov, vrátane sekvencií vývojového genetického súboru nástrojov a iných génov zapojených do vývoja. V skutočnosti, ako poznamenali John Gerhart a Marc Kirschner, existuje zjavný paradox: „tam, kde najviac očakávame, že nájdeme variácie, nájdeme ochranu, nedostatok zmien“. [51] Ak teda pozorovaná morfologická novosť medzi rôznymi kladmi nepochádza zo zmien v sekvenciách génov (napríklad mutáciou), odkiaľ pochádza? Novinkou môžu byť zmeny v génovej regulácii spôsobené mutáciami. [43] [52] [53] [54]

Variácie v súprave nástrojov Upraviť

Variácie v súbore nástrojov mohli spôsobiť veľkú časť morfologického vývoja zvierat. Súbor nástrojov môže viesť evolúciu dvoma spôsobmi. Gén súpravy nástrojov môže byť vyjadrený iným spôsobom, ako keď bol zobák Darwinovho veľkého zemolezca zväčšený BMP gén, [55] alebo keď hady prišli o nohy ako distálne-menej sa nedostatočne alebo vôbec neprejavili na miestach, kde ostatné plazy naďalej tvorili svoje končatiny. [56] Alebo gén súboru nástrojov môže získať novú funkciu, ako je vidieť v mnohých funkciách toho istého génu, distálne-menej, ktorý ovláda také rôznorodé štruktúry, ako je čeľusť u stavovcov, [57] [58] nohy a tykadlá u ovocnej mušky [59] a vzor škvŕn v motýlích krídlach. [60] Vzhľadom na to, že malé zmeny v génoch sady nástrojov môžu spôsobiť významné zmeny v štruktúre tela, často umožnili rovnakú funkciu konvergentne alebo paralelne. distálne-menej vytvára vzory krídel v motýľoch Heliconius erato a Heliconius melpomene, čo sú müllerovské mimikry. V takzvanej facilitovanej variácii [61] ich vzory krídel vznikli v rôznych evolučných udalostiach, ale sú riadené rovnakými génmi. [62] Vývojové zmeny môžu priamo prispieť k speciácii. [63]

Konsolidácia epigenetických zmien Edit

Evolučná inovácia môže niekedy začať v lamarckovskom štýle s epigenetickými zmenami génovej regulácie alebo generovania fenotypov, následne konsolidovaných zmenami na génovej úrovni. Epigenetické zmeny zahŕňajú modifikáciu DNA reverzibilnou metyláciou [64], ako aj neprogramované pretvarovanie organizmu fyzikálnymi a inými vplyvmi prostredia v dôsledku prirodzenej plasticity vývojových mechanizmov. [65] Biológovia Stuart A. Newman a Gerd B. Müller navrhli, že organizmy na začiatku histórie mnohobunkového života boli náchylnejšie na túto druhú kategóriu epigenetických determinácií ako moderné organizmy, čo poskytuje základ pre skoré makroevolučné zmeny. [66]

Vývojová zaujatosť Edit

Vývoj v špecifických líniách môže byť ovplyvnený buď pozitívne, smerom k danej trajektórii alebo fenotypu, [b] alebo negatívne, preč od vytvárania určitých typov zmien, buď môže byť absolútny (zmena je vždy alebo nikdy vytvorená) alebo relatívna. Dôkazy o akomkoľvek takomto smerovaní evolúcie je však ťažké získať a môžu byť tiež výsledkom vývojových obmedzení, ktoré obmedzujú diverzifikáciu. [68] Napríklad u ulitníkov je ulita slimáka vždy vytvorená ako rúrka, ktorá rastie do dĺžky aj do priemeru, výber vytvoril širokú škálu tvarov ulít, ako sú ploché špirály, cowry a špirály vysokých vežičiek v nich obmedzenia. Medzi stonožkami má Lithobiomorpha v dospelosti vždy 15 segmentov trupu, pravdepodobne výsledkom vývojovej zaujatosti smerom k nepárnemu počtu segmentov trupu. Ďalší rad stonožiek, Geophilomorpha, sa počet segmentov u rôznych druhov pohybuje medzi 27 a 191, ale počet je vždy nepárny, čo z neho robí absolútne obmedzenie, takmer všetky nepárne čísla v tomto rozsahu sú obsadené jedným alebo iným druhom. [67] [69] [70]

Ekologická evolučná vývojová biológia (eco-evo-devo) integruje výskum z vývojovej biológie a ekológie s cieľom preskúmať ich vzťah s evolučnou teóriou. [71] Výskumníci študujú koncepty a mechanizmy, ako je vývojová plasticita, epigenetická dedičnosť, genetická asimilácia, konštrukcia výklenku a symbióza. [72] [73]


Záver

Používaním operónov na to, aby sme študentov naučili uvažovať s modelmi zložitých systémov a porozumieť širokým témam, ich vybavujeme výkonnými zručnosťami a nápadmi, ktoré tvoria pevný základ pre ich budúce učenie sa v biológii. Tieto zručnosti a nápady majú široké uplatnenie v biológii, ale potenciálne majú uplatnenie aj v iných oblastiach. Konštrukty, ako je negatívna spätná väzba a prirodzený výber, ktoré sa používajú na vysvetlenie meniacich sa a samoorganizujúcich sa systémov, predstavujú to, čo Ohlsson (1993) označuje ako „abstraktné schémy“, ktoré kódujú skôr štruktúru diskurzu než jeho obsah. Ich abstraktný charakter umožňuje možnosť prenosu medzi doménami. Napríklad schéma negatívnej spätnej väzby bola pôvodne vyvinutá v kontexte špecifických technických problémov a neskôr sa zistilo, že má uplatnenie v biológii. Podobne bol vyvinutý prirodzený výber na vysvetlenie pôvodu adaptácií v organizmoch, ale následne sa aplikoval na vývoj imunitného a nervového systému, počítačové programovanie a umelú inteligenciu. Zvládnutie abstraktných schém umožňuje študentom stať sa zrelými mysliteľmi so silnou mysľou, ktorí si dokážu predstaviť riešenia budúcich problémov sveta.


Syntetické génové okruhy pre metabolickú kontrolu: navrhnite kompromisy a obmedzenia

Veľkou výzvou v syntetickej biológii je posunúť návrh biomolekulových okruhov z čisto genetických konštruktov smerom k systémom, ktoré prepájajú rôzne úrovne bunkového aparátu, vrátane signalizačných sietí a metabolických dráh. V tomto článku sa zameriavame na genetický okruh pre reguláciu spätnej väzby nerozvetvených metabolických dráh. Cieľom tohto systému spätnej väzby je tlmiť účinok porúch toku spôsobených zmenami bunkových požiadaviek alebo upravenými dráhami spotrebúvajúcimi metabolické medziprodukty. Uvažujeme o matematickom modeli riadiaceho obvodu s operónovou architektúrou, pričom expresia všetkých enzýmov dráhy je transkripčne potlačená metabolickým produktom. Venujeme sa existencii a stabilite rovnovážneho stavu, dynamickej odozve siete pri poruchách a ich závislosti od bežných laditeľných gombíkov, ako je charakteristika promótora a sily väzbového miesta ribozómu (RBS). Naša analýza odhaľuje kompromisy medzi ustáleným stavom enzýmov a medziproduktov, spolu s princípom separácie medzi promótorom a dizajnom RBS. Ukazujeme, že enzymatická saturácia ukladá limity na návrhový priestor parametrov, ktorý musí byť splnený, aby sa zabránilo akumulácii metabolitov a zaručila sa stabilita siete. Použitie promótorov so širokým dynamickým rozsahom a malým deravým výrazom zväčšuje dizajnový priestor. Výsledky simulácie s realistickými hodnotami parametrov tiež naznačujú, že riadiaci obvod môže účinne regulovať produkciu enzýmov, aby sa kompenzovali poruchy toku.

1. Úvod

Syntetická biológia sa zameriava na inžinierstvo bunkových systémov na vykonávanie prispôsobených a programovateľných biologických funkcií. Kľúčové práce publikované v roku 2000 [1,2] odštartovali vývoj širokej škály génových obvodov s predpísanými funkciami, vrátane bakteriálnych logických brán [3], mechanizmov na programovanú komunikáciu medzi bunkami [4] a svetelných- responzívne moduly [5]. Po tomto pokroku nedávno nasledovala takzvaná „druhá vlna“ syntetickej biológie [6], ktorej cieľom je rozšíriť návrhy z jednotlivých genetických modulov na celé bunkové systémy, ktoré fungujú naprieč rôznymi vrstvami bunkovej regulácie, vrátane signálnych sietí a metabolických dráh [7,8].

Jednou z najvýznamnejších aplikácií syntetickej biológie je manipulácia bakteriálneho metabolizmu na chemickú výrobu v sektoroch ako energetika, biomedicína a potravinárske technológie [6]. Účinná kontrola metabolizmu závisí od schopnosti upregulovať alebo downregulovať dráhy v reakcii na zmeny v intracelulárnych podmienkach, bunkových požiadavkách alebo environmentálnych poruchách [9]. Tieto požiadavky vyžadujú dynamické kontrolné stratégie, ktoré môžu modulovať expresiu enzýmov spôsobom závislým od metabolitov [10,11]. Jednou z kľúčových prekážok v tomto ohľade je naše obmedzené pochopenie toho, ako gombíky genetického dizajnu modulujú metabolické reakcie.

Cieľom tohto článku je odhaliť nové pohľady na dizajnové obmedzenia a kompromisy vyplývajúce zo súhry medzi génovými okruhmi a metabolickými dráhami. Za týmto účelom analyzujeme dynamický model pre systém spätnej väzby zahŕňajúci nelineárne kinetické rovnice pre metabolické druhy spolu s expresiou enzýmu závislou od produktu riadenou okruhom syntetických génov. Zameriavame sa na existenciu a stabilitu ustáleného stavu, dynamickú odozvu siete pri poruchách a ich závislosť od návrhových gombíkov obvodu syntetického génu.

Dve významné implementácie geneticko-metabolických okruhov sú genetická kontrola produkcie lykopénu [12] a metabolický oscilátor opísaný vo Fung. a kol. [13]. Na tieto práce nadviazala nedávna štúdia Zhanga a kol. [14], čím autori ohlásili prvú úspešnú implementáciu genetického kontrolného okruhu na zvýšenie produkcie biopalív. Spôsobom podobným technologickým systémom vytvoreným človekom hrá využitie spätnej väzby kľúčovú úlohu pri „robustizácii“ dynamiky dráhy v meniacich sa podmienkach prostredia, variabilite medzi bunkami a biochemickom šume. Napriek všadeprítomnosti metód riadiaceho inžinierstva [15] len niekoľko prác dôsledne riešilo problém návrhu genetickej spätnej väzby na základe matematických modelov. Najmä Anesiadis a kol. [16] demonštrovali použitie genetického prepínača [2] ako ON-OFF regulátora pre metabolizmus, zatiaľ čo Dunlop a kol. [17] skúmali rôzne architektúry genetickej kontroly výroby biopalív.

Z hľadiska riadiaceho inžinierstva pôsobia katalytické enzýmy ako vstupy do metabolickej dráhy s cieľom riadiť dynamiku metabolitov (t. j. výstupy). Výstupy dráhy sú potom snímané molekulami reagujúcimi na metabolit, ktoré môžu modulovať hladiny expresie enzýmov (napr. transkripčné faktory (TF) alebo riboswitche [18]). V žargóne riadiaceho inžinierstva možno tento spätnoväzbový systém vnímať ako „rastlinu“ (t. j. dráhu, ktorá má byť kontrolovaná) a „regulátor“ (t. j. génový regulačný obvod kontrolujúci expresiu katalytických enzýmov), pozri obrázok 1a. Návrh genetického regulátora potom musí zodpovedať dvom komplementárnym kontrolným cieľom: po prvé, musí dynamicky upravovať aktivitu dráhy tak, aby zodpovedala bunkovej potrebe produktu a udržiavať homeostatickú rovnováhu natívnych bunkových procesov. Po druhé, bežnou stratégiou v metabolickom inžinierstve je modifikácia hostiteľských mikróbov expresiou heterológnych enzýmov, ktoré premieňajú metabolické medziprodukty na požadovanú chemikáliu [19]. Spotreba medziproduktov odvádza časť toku prideleného hostiteľským natívnym procesom (obrázok 1b), a preto musí regulátor tiež zmierniť vplyv týchto upravených dráh na prirodzený tok.

Obrázok 1. Návrh kontroly pre metabolické dráhy. (a) Transkripčná regulácia metabolických dráh vnímaná ako systém kontroly spätnej väzby: efektorové molekuly (ako sú transkripčné faktory) snímajú koncentrácie metabolitov a modulujú expresiu katalytických enzýmov, ktoré pôsobia ako vstupy do dráhy. (b) Upravené cesty môžu odkloniť časť prirodzeného metabolického toku na produkciu cudzích zlúčenín. (Online verzia vo farbe.)

V tomto článku študujeme nerozvetvenú metabolickú dráhu pri transkripčnej represii z produktu. Syntetický okruh pozostáva z operónu kódujúceho všetky katalytické enzýmy, ktorý je potláčaný TF reagujúcim na produkt (§2). Architektúra operónovej spätnej väzby napodobňuje prirodzené obvody umožňujúce bunkové adaptácie na environmentálne poruchy (napr. metabolizmus bakteriálnych aminokyselín [20] a príjem živín [21]). Aby sme zachovali všeobecnú analýzu, nešpecifikujeme kinetiku metabolického modelu, ale skôr pracujeme s generickou triedou rýchlostí premeny enzýmov, ktoré spĺňajú mierne predpoklady. Tieto sú uspokojované širokým rozsahom kinetiky saturovateľných enzýmov, vrátane Michaelis-Mentenovej kinetiky a kooperatívneho správania opísaného sigmoidálnou kinetikou [22]. Genetický model parametrizujeme z hľadiska charakteristiky promótora a sily ribozómového väzbového miesta (RBS), čo sú typické konštrukčné prvky používané ako laditeľné gombíky v aplikáciách syntetickej biológie. Rovnako ako v prípade kinetiky enzýmov nefixujeme tvar charakteristiky promótora, ale skôr uvažujeme o generickej triede represívnych funkcií, ktoré zodpovedajú najmä štandardnému modelu Hillovej rovnice pre transkripčnú represiu [23].

Analýza modelu odhalila, že enzymatická saturácia a presakujúca expresia promótora obmedzujú priestor návrhu sily RBS (§3.1). Tieto obmedzenia musia byť splnené, aby sa zaručila existencia bodu rovnováhy, aby sa zabránilo akumulácii metabolitov a aby sa zabezpečila stabilita siete pri malých poruchách. Uskutočniteľný súbor síl RBS kriticky závisí od netesnosti promótora a dostupnosti substrátu. V rámci uskutočniteľného súboru možno sily RBS použiť na jemné doladenie rovnováhy medzi strednými hladinami metabolitov a záťažou génovej expresie uloženej na hostiteľskú bunku. Získali sme tiež analytické vzorce pre režimy systému spätnej väzby, ktoré ukázali, že architektúra operónu vedie k pomalým pevným režimom a navrhuje princíp oddelenia medzi účinkom silných stránok RBS a charakteristikou promótora (§ 3.2).

Ukazujeme tiež, že skonštruované cesty, ktoré spotrebúvajú medziprodukt, pridávajú ďalšie obmedzenia do priestoru dizajnu silných stránok RBS, ktoré možno uvoľniť pomocou promótorov s vysokým dynamickým rozsahom a malou netesnosťou (§ 4.1). Vykonali sme numerické simulácie modelu s fyziologicky realistickými parametrami v Escherichia coli (§§ 3.2 a 4.2). Simulácie ukazujú, že riadiaci obvod môže účinne upregulovať produkciu enzýmov, aby kompenzoval zvýšenie prirodzeného dopytu bunky po produkte a vplyv upravených dráh. Tieto tiež naznačujú, že pokiaľ ide o tok aj homeostázu produktu, syntetický okruh vždy prekoná nekontrolovanú dráhu (t. j. s konštantnými hladinami enzýmov), čím sa zdôrazňujú výhody použitia stratégie dynamickej spätnej väzby.

2. Nerozvetvená dráha pod reguláciou transkripčnej spätnej väzby

Uvažujeme o nerozvetvenej metabolickej dráhe ako na obrázku 2b, kde s0 označuje koncentráciu substrátu, s1 a s2 sú intermediárne metabolity a s3 je produktom metabolizmu. Metabolické reakcie prebiehajú rýchlosťou vi (každý katalyzovaný enzýmom s koncentráciou ei) a d označuje rýchlosť spotreby produktu bunkou.Metabolické gény sú kódované v jedinom operóne riadenom TF reagujúcim na produkt, ktorý potláča expresiu enzýmu. Tento druh transkripčnej spätnej väzby je bežný napríklad v bakteriálnych systémoch príjmu živín (napr. laktózový operón [21]) a metabolizme aminokyselín (napr. tryptofánový operón [20]).

Obrázok 2. Generický model pre nerozvetvenú metabolickú dráhu pri transkripčnej represii z produktu. Enzýmy ei katalyzovať reakcie rýchlosťou via bunka spotrebuje produkt rýchlosťou d. Enzýmy sú kódované v operóne pod kontrolou jediného promótora, ktorý je potláčaný TF. (Online verzia vo farbe.)

2.1. Metabolická dráha

Sieť na obrázku 2 si vymieňa hmotu s prostredím a/alebo inými sieťami v bunke. Model počíta s touto interakciou prostredníctvom vstupného substrátu s0 a miera spotreby produktu d. Zaujímajú nás biologicky významné fenotypy, a preto to predpokladáme s0 je konštantná, aby sa zabezpečilo, že sieť môže dosiahnuť nenulový ustálený stav [24]. Všimnite si, že ak sa substrát časom rozpadne, sieť nakoniec dosiahne nulovú rovnováhu, čím sa substrát, medziproduktové metabolity a produkt úplne vyčerpajú. Konštantný predpoklad substrátu je vhodný aj pre scenáre, kde s0 je zásoba extracelulárnych substrátov zdieľaná populáciou buniek s nízkou hustotou (takže účinky kompetície medzi bunkami sú zanedbateľné).

V ceste s n reakcie a n metabolitov, rýchlosť zmeny koncentrácií metabolitov možno opísať pomocou

Miera spotreby produktu d(sn) je typicky modelovaná ako saturovateľná funkcia typu Michaelis-Menten [20], ale pre všeobecnosť budeme uvažovať o generickej saturovateľnej funkcii. d(sn) uspokojujúce d(0) = 0 a (porovnaj predpoklady (2.3) a (2.4) pre miery obratu). Bunkový dopyt po produkte závisí od koncentrácie enzýmu katalyzujúceho produkt (ktorý nie je explicitne modelovaný v (2.1)). Pre typickú kinetiku spotreby, ako je Michaelis-Menten alebo Hillova rovnica, maximálna miera spotreby dmax je úmerná koncentrácii enzýmu, a preto v našom modeli môžeme opísať zmeny v bunkovom dopyte ako zmeny parametra dmax.

2.2. Syntetický génový obvod

V architektúre operónov sú všetky enzýmy riadené jedným promótorom (prípad s viacerými promótormi pozri [26]), a preto modelujeme expresiu katalytických enzýmov ako

Charakteristika promótora. Popisuje regulačný účinok TF na génovú transkripciu. Funkcia závisí od špecifických molekulárnych mechanizmov, ktoré sú základom interakcií produkt-TF a TF-promótor. Aby sme zachovali všeobecný popis regulačného účinku a parametrizovali model z hľadiska experimentálne dostupných parametrov návrhu, volíme fenomenologický popis charakteristiky promótora. Preto uvažujeme funkciu, ktorá priamo závisí od koncentrácie produktu a predstavuje čistý účinok produktu na rýchlosť transkripcie. Génová transkripcia pod pôsobením represívneho promótora sa typicky modeluje pomocou Hillových funkcií, ale aby bola analýza všeobecná, považujeme generické funkcie represie transkripcie za uspokojivé. σ(0) = 1 a .

Obrázok 3. Laditeľné gombíky v ovládacom obvode syntetického operónu. (a) Charakteristika promótora a sily RBS modulujú rýchlosť transkripcie a translácie génu (symboly sú opísané v legende na obrázku 2). (b) Sigmoidálna charakteristika represívneho promótora. (Online verzia vo farbe.)

Promótory sú typicky opísané z hľadiska ich tesnosť (κ 0) a silu (κ 1) pozri obrázok 3b. Tesnosť sa vzťahuje na úroveň základnej transkripcie (t. j. pri úplnej represii produktom), zatiaľ čo sila je rozdiel medzi ON a OFF úrovňami transkripcie. Sila promótora sa kvantifikuje v zmysle dynamický rozsahμ,

Sily väzbového miesta ribozómu. RBS sú sekvencie mRNA, ktoré sú viazané ribozómami na spustenie translácie [10]. Rýchlosť translácie enzýmov sa potom môže modifikovať výberom sekvencií RBS s rôznymi afinitami k väzbe na ribozómy [28]. Modelujeme vplyv silných stránok RBS na rýchlosť expresie enzýmu prostredníctvom parametrov bi.

S vyššie uvedenými predpokladmi a definíciami môžeme napísať kompletný model pre systém spätnej väzby ako

3. Návrh obvodu pre bunkové požiadavky

3.1. Kompromisy a obmedzenia pri navrhovaní sily väzbových miest ribozómov

Okruh operónu musí byť schopný udržať metabolický tok, ktorý dodáva produkt do následných prirodzených procesov hostiteľa. V tejto časti ukážeme, ako sa táto základná požiadavka premieta do obmedzení priestoru návrhu pevnosti RBS.

Koncentrácie metabolitov v ustálenom stave, koncentrácie enzýmov a reakčné rýchlosti budeme označovať ako , resp. Najprv si všimneme, že koncentrácie enzýmov v rovnovážnom stave možno získať nastavením v (2.7), čo vedie k

Rovnovážne koncentrácie medziproduktov možno získať nastavením pre i ≥ 2,

Účinok charakteristiky promótora. Z rovnice ustáleného stavu v (3.2) môžeme vypočítať (pozri prílohu A.1 pre podrobné odvodenie) citlivosť koncentrácie produktu na zmeny tesnosti promótora. κ 0, sila promótora κ 1 alebo sila RBS b1,

Vplyv silných stránok RBS. Pomocou (3.1) môžeme zapísať ustálený stav downstream enzýmov ako

Vo vyššie uvedenej diskusii sme implicitne predpokladali, že riešenie rovníc (3.2) a (3.3) existuje. Avšak kvôli saturovateľnej charakteristike miery spotreby produktu (d) a kinetika enzýmov (gi), obom rovniciam môže chýbať riešenie. Po prvé, riešenie (3.2) možno vypočítať ako priesečník dvoch kriviek znázornených na obrázku 4. Z týchto grafov môžeme vidieť, že priesečník existuje iba vtedy, keď dmax/g1(s0 ) > b1κ 0 /γalebo ekvivalentne

ktorý definuje obmedzenie sily RBS prvého enzýmu. Keďže obe strany (3.2) sú monotónne v , riešenie je jedinečné. Podľa rovnice (3.1) existencia tiež zaručuje existenciu koncentrácií enzýmu v ustálenom stave.

Obrázok 4. Existencia metabolického toku, produktu a koncentrácie prvého enzýmu. (a) Riešenie rovnice v ustálenom stave (3.2) možno vidieť ako priesečník dvoch kriviek, h1(X) = d(x)/g1(s0) a h2(X) = b1(κ 0 + κ 1 σ(X))/γ. (b) Priesečník neexistuje, keď podmienka (3.9) zlyhá.

Po druhé, keďže rýchlosť premeny enzýmu sa nasýti pri , rovnica (3.3) má konečné riešenie za predpokladu, že

ktorý definuje obmedzenie na bi/b1 pomer. Celkovo vzaté, podmienky (3.9) a (3.10) definujú realizovateľný región v priestore návrhu silných stránok RBS, ktorý zabraňuje akumulácii medziproduktov a produktu (obrázok 5b). Ak nie je splnená podmienka v (3.9), substrát bude spotrebovaný vyššou rýchlosťou ako je maximálna spotreba produktu, a preto návrh povedie k nekonečnému hromadeniu produktu. Podobne porušenie aspoň jednej z hraníc v (3.10) spôsobí enzymatickú saturáciu a povedie k nekonečnej akumulácii medziproduktu.

Obrázok 5. Navrhnite kompromisy a obmedzenia pre silné stránky RBS. (a) Dizajnový kompromis: nízka bi/b1 pomer poskytuje nízke hladiny enzýmov v ustálenom stave a vysoké stredné hladiny v ustálenom stave, zatiaľ čo vysoké pomery zvyšujú koncentrácie enzýmov v prospech nižších koncentrácií medziproduktov. (b) Konštrukčné obmedzenie: realizovateľná oblasť RBS bráni hromadeniu medziproduktov a produktov, oblasť je definovaná podmienkami (3.9) a (3.10). (c) Prísnejšie promótory zväčšujú realizovateľný región, zatiaľ čo (d) netesnejšie promótory alebo vyššie koncentrácie substrátu sprísňujú obmedzenia. (Online verzia vo farbe.)

Podmienky (3.9) a (3.10) spájajú genetické a metabolické parametre (sila RBS bi a tesnosť promótora κ 0 spolu s dostupnosťou substrátu s0 a saturácia enzýmu ), a preto objasňujú, ako sa objavujú konštrukčné obmedzenia v dôsledku súhry medzi metabolickou a dynamikou expresie enzýmov. Na obrázku 5c,d, ilustrujeme vplyv tesnosti promótora a dostupnosti substrátu na uskutočniteľnú oblasť pre sily RBS. Silnejšie promótory uvoľňujú stav (3.9), a preto zväčšujú realizovateľnú oblasť (obrázok 5c). V limitnom prípade dokonalého promótora bez úniku (t.j. κ 0 = 0), podmienka (3.9) neobmedzuje silu RBS prvého enzýmu. Naopak, pri podmienkach (3.9) a (3.10) má vyšší substrát tendenciu utiahnuť realizovateľnú oblasť (obrázok 5d).

3.2. Adaptácia na zmeny bunkového dopytu

Jedným z účelov okruhu genetickej spätnej väzby je udržať fungovanie dráhy pri zmenách bunkového dopytu po produkte. Z hľadiska riadiaceho inžinierstva možno zmenu v bunkovom dopyte považovať za poruchový signál pôsobiaci na sieť. Užitočný prístup k štúdiu dynamických systémov pri poruchách spočíva v skúmaní ich lineárnej aproximácie okolo ich rovnovážnych bodov. Ak zapíšeme model (2.7) ako a vypočítame jeho jakobiovskú maticu ( ), potom trajektórie začínajúce v malej blízkosti ustáleného stavu možno aproximovať ako

V prípade spätnoväzbového systému v (2.7) môžeme využiť štruktúru Jacobiánskej matice na získanie analytických výrazov pre jej vlastné hodnoty v zmysle návrhových gombíkov génového obvodu (podrobnosti pozri v prílohe A.2). Zistili sme, že 2n vlastné hodnoty možno rozdeliť do troch kategórií λpevné, λRBSi a λstužková. Systém má nasledovné:

— (n−1) stabilné vlastné hodnoty pri λpevné = −γ < 0. Tieto vlastné hodnoty sú nezávislé od parametrov návrhu obvodu, a preto vedú k pevné režimy, ktoré je možné upraviť len zmenou rýchlosti degradácie (napr. pomocou rôznych degradačných tagov). Nedajú sa potlačiť ani zmeniť vyladením gombíkov návrhu obvodu a z (3.11) vidíme, že sa premietnu do (n − 1) módy tvaru e −t/γ , t e −t/γ , … , t n−2 e −t/γ . Rýchlosť degradácie enzýmov γ sú nepriamo úmerné ich polčasom rozpadu, ktoré sú zase oveľa dlhšie ako metabolické časové škály (enzymatické polčasy sú rádovo minúty až hodiny, zatiaľ čo metabolické časové škály sú zvyčajne milisekundy až sekundy [22]). Preto v závislosti od počiatočných podmienok môže sieť potenciálne zobrazovať veľmi pomalé prechodné javy, čo sa zdá byť pri dlhých dráhach zhoršené.

— (n−1) stabilné vlastné hodnoty pri

— Dve stabilné vlastné hodnoty pri

s a . Na rozdiel od λpevné a λRBSitieto dve vlastné hodnoty závisia od koncentrácie produktu v ustálenom stave, a preto ich možno jemne doladiť prostredníctvom charakteristiky promótora (pozri rovnicu (3.2)). Študovať závislosť λstužková na parametroch návrhu promótora sme ich vypočítali pre dráhu s realistickými hodnotami parametrov. Na obrázku 6a, ukazujeme ustálené hodnoty produktu, toku a úrovne prvého enzýmu pre široké rozpätie dynamického rozsahu promótora μ. Pozorujeme, že silné promótory majú tendenciu zvyšovať tok dráhy v súlade s rovnicou citlivosti, ktorá bola predtým odvodená v (3.5). Vidíme tiež, že ako ukazuje vzťah v ustálenom stave , tok zodpovedá škálovanej verzii koncentrácie prvého enzýmu. Na obrázku 6b, vykreslíme umiestnenie vlastných hodnôt závislých od promótora λstužková v komplexnej rovine. Tieto naznačujú, že v prípade slabých promótorov sú vlastné hodnoty λstužková ležia na reálnej osi a stávajú sa komplexnými len pre dostatočne široký dynamický rozsah μ. Pre silné promótory sa skutočná časť priblíži k imaginárnej osi, čo môže viesť k pomalým prechodom. Navyše, keďže silnejšie promótory vedú k vyššiemu toku, vlastné hodnoty na obrázku 6b naznačujú, že maximalizácia toku môže mať za následok zníženie rýchlosti odozvy.

Obrázok 6. Vplyv dynamického rozsahu promótora na metabolický ustálený stav a režimy spätnoväzbového systému. (a) Hodnota metabolického toku v ustálenom stave a koncentrácie produktu a prvého enzýmu. (b) Umiestnenie vlastných hodnôt závislých od promótora λstužková. Grafy boli vytvorené riešením rovnice ustáleného stavu (3.2) (a) a výpočtovej techniky λstužková od (3.13) (b) pre iný dynamický rozsah μ s rozsahom piatich rádov a pevnou tesnosťou κ 0 Skutočné a imaginárne časti v (b) sú normalizované na rýchlosť degradácie γ. Uvažovali sme o dráhe s dvoma metabolitmi a dvoma enzýmami s kinetikou Michaelis-Menten (gi(si−1) = kkat isi−1/(KM i + si−1)) s kkat i = 32s −1 a KM i = 4,7 uM. Toto sú reprezentatívne hodnoty pre izomerázu PRA (extrahované z databázy BRENDA [29], EC číslo 5.3.1.24), transkripčne regulovaný enzým v tryptofánovej dráhe E. coli. Vzali sme rýchlosť degradácie enzýmu ako 2 × 10 -4 s -1 (polčas rozpadu h) a použili sme koncentráciu substrátu s0 = KM1 (takže g1(s0) je v polovičnej saturácii). Spotrebu produktu sme modelovali ako funkciu Michaelis-Menten d(sn) = dmaxsn/(Kd + sn) s dmax = 24,96 uM min-1 a Kd = 0,2 µM, obe získané z experimentálne overeného modelu pre tryptofánovú dráhu [20]. Tesnosť promótora bola stanovená na κ 0 = 0,03 nM min -1 a sila RBS do b1 = 1, zatiaľ čo represná funkcia bola opísaná Hillovou funkciou σ(sn) = θ h /(θ h + sn h ) s Hillovým koeficientom h = 2 a prah represie θ = Kd. (Online verzia vo farbe.)

Na ilustráciu dynamickej odozvy dráhy pod kontrolou transkripčného riadiaceho obvodu sme simulovali sieť pri zmene dopytu buniek po produkte (pozri obrázok 7a). Zmenu dopytu po bunkách sme modelovali ako pomalé dočasné zvýšenie maximálnej miery spotreby produktu v tvare S dmax (pozri prílohu na obrázku 7a). To opisuje napríklad prípady, v ktorých je nárast dopytu spôsobený prirodzenými procesmi, ktoré zvyšujú reguláciu enzýmu, ktorý metabolizuje produkt. Všimnite si, že z rovnice ustáleného stavu v (3.2) vyššie dmax nevyhnutne vedie k vyššiemu toku a nižšej koncentrácii produktu v ustálenom stave (pozri tiež obrázok 4a). Pred perturbáciou je sieť v ustálenom stave s predstimulačným tokom d pre = 19,5 uM min-1. Zvažovali sme mieru spotreby formulára Michaelis-Menten d(sn) = dmaxsn/(Kd + sn), s Kd je koncentrácia produktu potrebná na polovičnú maximálnu spotrebu. Pri zvýšení v dmax pri t = 50 minút, pozorujeme, že promótor reaguje na pokles koncentrácie produktu a upreguluje expresiu enzýmu tak, aby poháňal cestu k novému toku po stimule d príspevok, ktorý je približne o 40 percent vyšší ako d pred a koncentrácia produktu, ktorá je približne o 20 percent nižšia ako jeho hodnota pred stimulom. Pomocou rovníc (3.1) a (3.2) môžeme vypočítať faktor upregulácie enzýmu ako

čo je ekvivalentné relatívnej zmene toku dráhy. Dynamickú upreguláciu expresie enzýmu možno vidieť na spodnom paneli na obrázku 7a, kde môžeme tiež overiť, že faktor upregulácie je približne percent, ako sa predpokladá v (3.14). Všimnite si, že v dôsledku architektúry operónov sú všetky enzýmy upregulované rovnakým násobným faktorom. Tento faktor závisí od tokov pred a po stimule, ktoré podľa (3.2) závisia len od dizajnu promótora a sily prvého RBS.

Obrázok 7. Reakcia syntetického operónu na zmeny v bunkovom dopyte po produkte. (a) Porovnanie medzi dynamickými odozvami syntetického riadiaceho obvodu a nekontrolovaným prípadom zmena dopytu článku bola vyvolaná pri t = 50 min a modelované ako zvýšenie maximálnej spotreby v tvare S dmax, pričom dosiahne 50 % predstimulu dmax v h (pozri prílohu). (b) Pokles koncentrácie produktu v rovnovážnom stave vzhľadom na jeho hodnotu pred stimulom ako funkciu zmeny metabolického toku a dynamického rozsahu promótora. V (a), dynamický rozsah promótora bol nastavený na μ = 100 a silné stránky RBS do bi = <1,4> pre parametre dráhy použité na obrázku 6, zvolené bi vyhovujú realizovateľnej oblasti na obrázku 5 a vedú k ustáleným koncentráciám enzýmov, ktoré sú vo fyziologickom rozmedzí E. coli [30]. V (b), prekonali sme dynamický rozsah μ medzi 3 a 200 zmenou sily promótora. Všetky ostatné parametre siete sú rovnaké ako na obrázku 6. (Online verzia vo farbe.)

Pre porovnanie, na obrázku 7a, tiež sme simulovali odozvu dráhy bez regulácie spätnou väzbou (t. j. s konštantnými hladinami enzýmov zvolenými tak, aby zodpovedali toku kontrolovaného prípadu dpre). Nekontrolovaná dráha nie je schopná zvýšiť tok a pozorujeme, že to vedie k značnému zníženiu koncentrácie produktu (približne 70 % zníženie). V nekontrolovanom prípade je rýchlosť príjmu substrátu pevne stanovená na v1 unc tak, aby rovnovážny súčin vyhovoval

Podrobnejšie študujeme výkon riadiaceho obvodu na obrázku 7b, kde ukazujeme pokles koncentrácie produktu vzhľadom na úroveň pred stimulom ako funkciu zmeny toku a dynamického rozsahu promótora. Pozorujeme, že silnejšie promótory môžu výrazne zlepšiť kompenzáciu poklesu koncentrácie produktu (dokonalá kompenzácia by zodpovedala plochej krivke pri 0 % na obrázku 7b). Napríklad pri 50-percentnom zvýšení toku dráhy je mierny promótor (μ = 10) vedie k poklesu produktu približne o 47 percent, zatiaľ čo silný promótor (μ = 100) môže znížiť pokles produktu na približne 20 percent (posledné zodpovedá dizajnu simulovanému na obrázku 7a).Ako predpovedá horná hranica v (3.7), tok je obmedzený silou promótora, a preto slabé promótory neumožňujú veľké zvýšenie toku (v dôsledku toho doména kriviek na obrázku 7a klesá s klesajúcou silou promótora), napríklad pre najslabší testovaný promótor sa tok nedal zvýšiť nad približne 10 %.

4. Návrh obvodu na kompenzáciu porúch toku

Bežnou stratégiou v metabolickom inžinierstve je modifikácia baktérií expresiou heterológnych enzýmov, ktoré premieňajú prirodzené metabolické medziprodukty na požadovanú zlúčeninu [19]. Cieľová zlúčenina sa syntetizuje „rozvetvením“ špecifického medziproduktu z prirodzenej dráhy, a preto časť metabolického toku potrebného na udržanie natívnych procesov hostiteľa je presmerovaná na produkciu cudzej chemikálie. Výber dobrého bodu vetvenia (t. j. takého, ktorý nevedie k smrteľnej metabolickej nerovnováhe pre hostiteľa) je hlavným problémom, ktorý sa zvyčajne rieši pomocou výpočtových nástrojov založených na optimalizácii [31,32]. V tejto časti obraciame našu pozornosť na účinok poruchy v natívnom toku ako dôsledok rozvetvenia sa zo stredného metabolitu.

4.1. Kompromisy a obmedzenia v návrhu silných stránok RBS

Zohľadniť skonštruovanú cestu, ktorá spotrebuje medziprodukt konštantnou rýchlosťou dext, zahŕňame dext ako miera spotreby v ODR pre

s . Z týchto rovníc v ustálenom stave pozorujeme podobné vlastnosti ako v prípade bez vetvenia. Charakteristika promótora a prvá sila RBS určujú metabolický tok, zatiaľ čo pomer RBS bi/b1 možno použiť na jemné doladenie rovnováhy medzi expresiou enzýmu a koncentráciami medziproduktov. Okrem toho v tomto prípade vidíme, že medziprodukty za bodom vetvenia tiež závisia od charakteristiky promótora.

Obrázok 8. Návrhové obmedzenia pevnosti RBS s vetvou spotrebúvajúcou medziprodukt. (a) Metabolická dráha pod transkripčnou reguláciou s vetvou konzumujúcou medziprodukt. Modelové rovnice sú zobrazené v (4.1) a symboly sú popísané v legende na obrázku 2. (b) Okrem obmedzení na obrázku 5b, vetva zavádza ďalšie obmedzenie, aby sa zabránilo vyčerpaniu produktu, oblasť je definovaná podmienkami (4.5) – (4.7). (c) Silnejšie a pevnejšie promótory zväčšujú medzeru Δ a návrhový priestor RBS podľa rovnice (4.8). (Online verzia vo farbe.)

Použitím podobných argumentov ako na obrázku 4 zistíme, že riešenie (4.2) existuje, ak

4.2. Adaptácia na poruchu toku

Na ilustráciu vplyvu umelej vetvy na dynamickú odozvu systému spätnej väzby sme simulovali sieť s dvoma metabolitmi a dvoma enzýmami pri poruche toku, ktorá spotrebováva medziprodukt. s1 (pozri obrázok 9a). Pred perturbáciou je sieť v ustálenom stave s prirodzeným tokom d pre = 19,5 uM min-1. Vytvorenú vetvu sme modelovali ako rastúcu rýchlosť v tvare písmena S d ext (t) (pozri prílohu na obrázku 9a). Pri aktivácii vetvy, indukovanej pri t = 50 minút, okruh syntetického operónu upreguluje expresiu enzýmu približne o 45 percent, aby poháňal cestu k novému prirodzenému toku d príspevok . Pomocou rovnice (3.1) spolu s rovnicami ustáleného stavu pred a po stimule ((3.2) a (4.2) sme zistili, že enzýmy sú regulované faktorom

Obrázok 9. Odozva syntetického operónu na poruchy toku vyvolané skonštruovanými dráhami. (a) Porovnanie medzi dynamickými odozvami syntetického riadiaceho obvodu a nekontrolovaným prípadom bola indukovaná porucha toku pri t = 50 min a modelované ako rastúca rýchlosť v tvare S pri spotrebe medziproduktu s1, pričom sa dosiahne 50 % toku pred stimulom za hodinu (pozri prílohu). (b) Zníženie toku a zvýšená regulácia enzýmu vzhľadom na úrovne pred stimulom ako funkcia rýchlosti spotreby vo vetve a dynamického rozsahu promótora. Nekontrolovaný prípad (μ = 1) je znázornené prerušovanými čiarami. Ako na obrázku 7, v (a) sme vybrali promotér s dynamickým rozsahom μ = 100 a silné stránky RBS bi = <1,4>, zatiaľ čo v (b) sme pozametali μ medzi 3 a 200 zmenou sily promótora. Všetky ostatné parametre siete sú rovnaké ako na obrázku 6. (Online verzia vo farbe.)

Ako v prípade bez vetvy, výraz v (4.9) naznačuje, že všetky enzýmy sú upregulované identickým násobným faktorom, ktorý závisí od dizajnu promótora a sily prvého RBS.

Na obrázku 9a, tiež sme simulovali odozvu dráhy bez regulácie spätnou väzbou (t. j. s konštantnými hladinami enzýmov zvolenými tak, aby zodpovedali toku d pred kontrolovaným prípadom). Pokiaľ ide o tok aj koncentráciu produktu, pozorujeme, že sieť riadená spätnou väzbou vykazuje dramatické zlepšenie v porovnaní s nekontrolovaným prípadom: operónový obvod znižuje stratu prirodzeného toku z 50 percent na približne 5 percent, zatiaľ čo pokles v Koncentrácia produktu v ustálenom stave sa zníži z približne 82 percent na 20 percent. V nekontrolovanom prípade je rýchlosť príjmu substrátu pevne stanovená na v1 unc a preto je poststimulačný tok daný

5. Diskusia a výhľad

V tomto článku sme predstavili podrobnú analýzu syntetického génového okruhu určeného na dynamickú kontrolu metabolických dráh. Cieľ tohto systému spätnej väzby je dvojaký: upraviť aktivitu dráhy tak, aby zodpovedala bunkovej požiadavke na produkt, a tlmiť poruchy toku, ktoré odvádzajú prirodzený tok k syntéze cudzích molekúl. Kontrolná stratégia sa spolieha na kódovanie metabolických génov v jedinom operóne potláčanom TF reagujúcim na produkt. TF môže zaznamenať pokles koncentrácie produktu a upregulovať expresiu enzýmu, aby sa dráha priblížila k jeho homeostatickým hladinám.

Od práce so semenným operónom [33] sa interakcia medzi genetickým aparátom a metabolizmom intenzívne študovala v kontexte prírodných systémov. Tieto štúdie sa zvyčajne zameriavajú na pochopenie toho, ako sa pozorované fenotypy vynárajú z geneticko-metabolického krížového rozhovoru [34–38] a vyvinulo sa množstvo podrobných mechanistických modelov regulácie operónov (napr. [20,21]). Cieľom v syntetickej biológii je však navrhnúť regulačné obvody na riadenie metabolizmu prispôsobeným spôsobom. Dizajn založený na modeli preto vyžaduje matematické popisy, ktoré sú explicitne parametrizované z hľadiska dizajnových gombíkov, s ktorými možno manipulovať v aplikáciách syntetickej biológie. V dôsledku toho sme použili model génovej expresie, ktorý zámerne nie je mechanistický, a namiesto toho opisuje genetickú spätnú väzbu z hľadiska laditeľných parametrov, ako je dynamický rozsah promótora, sily RBS a polčasy proteínov. Tento prístup sa ukázal ako primeraný na preskúmanie priestoru genetického dizajnu a na kvantifikáciu vplyvu charakteristiky promótora a silných stránok RBS na odozvu systému.

Typickou komplikáciou v geneticky upravených dráhach je to, že enzymatická saturácia môže spôsobiť akumuláciu medziproduktov v neúmerne vysokých koncentráciách, čo ovplyvňuje životaschopnosť hostiteľa v dôsledku toxických účinkov [11]. Akumulácia metabolitov nastáva, keď sa rovnovážny stav nachádza za hranicou nasýtenia katalytického kroku a dostupné modely dráh pod transkripčnou reguláciou [20,39–41] vo všeobecnosti prehliadali vplyv saturácie enzýmov na existenciu metabolického rovnovážneho stavu. V našom zámere vykonať všeobecnú analýzu sme použili metabolický model, ktorý zodpovedá za celú triedu kinetiky saturovateľných enzýmov za miernych predpokladov. Explicitným zohľadnením nasýtenia enzýmu sme charakterizovali uskutočniteľný súbor konštrukčných parametrov, ktorý zaisťuje, že ustálený stav leží v medziach nasýtenia. Uskutočniteľný súbor tiež zaručuje lokálnu stabilitu siete a zistili sme, že obmedzenia silných stránok RBS je možné zmierniť použitím promótorov s vysokým dynamickým rozsahom a malou netesnosťou. Geometria uskutočniteľného súboru závisí od kombinácie genetických a kinetických parametrov, čím sa zdôrazňuje vznik konštrukčných obmedzení v dôsledku súhry medzi genetickými a metabolickými subsystémami.

Rovnice v rovnovážnom stave odhaľujú kompromis medzi hladinami expresie enzýmov v rovnovážnom stave a koncentráciou medziproduktov: koncentrácie enzýmov sú nepriamo úmerné koncentrácii medziproduktu, ktorý katalyzujú. Zistili sme, že kritickým parametrom je pomer RBS, teda relatívna sila RBS vzhľadom na silu prvého v operóne, ktorý možno použiť na jemné doladenie okruhu medzi vysokými enzýmami/nízko-strednými alebo nízkoenzýmové/vysoko-stredné dizajny.

Zdá sa, že dva uvažované dizajnové gombíky, charakteristika promótora a silné stránky RBS, majú oddelené úlohy v ustálenom stave a prechodnom správaní siete. Charakteristika promótora spolu s prvým RBS určuje ustálený stav produktu a prvého enzýmu. Silný promótor a silné RBS pre prvý enzým sa môžu použiť na zvýšenie toku dráhy, ale to môže prísť na úkor pomalých režimov v prechodnej odpovedi. V neprítomnosti umelo vytvorených dráh spotrebúvajúcich medziprodukt možno zostávajúce sily RBS použiť na nezávislú úpravu koncentrácií medziproduktov a zostávajúcich enzýmov. V prípade spotreby medziproduktu však toto konštrukčné pravidlo platí len pre metabolity pred spotrebovaným medziproduktom, tj ustálený stav následných metabolitov závisí od kombinácie sily RBS, charakteristiky promótora a veľkosti perturbácie. .

Výrazy v uzavretej forme pre prechodné režimy systému spätnej väzby ukazujú ďalší dôkaz separačného princípu medzi promótorom a dizajnom RBS. Od 2n režimy an n-kroková dráha, zistili sme, že iba dve závisia od charakteristiky promótora, zatiaľ čo ďalej (n − 1) režimy závisia výlučne od pomeru RBS. Zostávajúce (n − 1) režimy zodpovedajú polčasom enzýmov a sú nezávislé od charakteristiky promótora a sily RBS. Pretože polčasy enzýmov sú podstatne pomalšie ako metabolické časové konštanty (dokonca aj pri použití značiek degradácie proteínov), dynamike systému môžu dominovať pomalé prechodné javy.

Spustili sme numerické simulácie, ktoré demonštrujú potenciál navrhovanej stratégie riadenia. Použitie fyziologicky realistických hodnôt parametrov pre E. coliriadiaci obvod syntetického operónu môže dramaticky kompenzovať stratu toku snímaním poklesu koncentrácie produktu a následným zvýšením regulácie koncentrácií enzýmu. Spätnou väzbou riadená dráha prekonáva nekontrolovanú dráhu, aj keď sa používajú slabé promótory, čím sa podčiarkuje obrovská výhoda spätnoväzbového prístupu k metabolickej kontrole.

V tejto práci sme sa zamerali na riadiaci obvod s architektúrou operónov, výber inšpirovaný skutočnosťou, že operóny sú jedným zo stavebných kameňov v bakteriálnych sieťach v celom genóme [42]. Všadeprítomnosť prirodzených metabolických dráh pod reguláciou operónov [43] z nich robí rozumnú voľbu ako šablónové architektúry pre skonštruované obvody. Okrem toho hlavným problémom pri budovaní geneticko-metabolických systémov je nájsť vhodné regulačné molekuly na prepojenie požadovaného metabolitu s genetickým aparátom. Niektoré z dostupných alternatív sú skonštruované promótory [44,45], riboswitche reagujúce na metabolity [18,46,47] a prirodzené TF (komplexný katalóg prirodzených TF reagujúcich na metabolity pozri Zhang a kol. [14, supp. tabuľka 5]). V tomto ohľade je architektúra operónov jednoduchá, ale efektívna topológia, pretože vyžaduje iba jeden TF citlivý na metabolit. Zložitejšie architektúry môžu určite pridať väčšiu flexibilitu dizajnu, ale pravdepodobne to bude na úkor zložitejších vzťahov medzi parametrami návrhu a metabolickou odozvou. Napríklad použitie obvodov s viacerými promótormi umožňuje nezávislé ladenie faktora upregulácie enzýmu, ale súčasne môže dráha vykazovať trvalé oscilácie, ak charakteristiky rôznych promótorov nie sú starostlivo navrhnuté [26].

Mali by sme poukázať na to, že odvodené konštrukčné obmedzenia zaručujú existenciu a stabilitu metabolického rovnovážneho stavu, a teda sú len základnými líniami pre správne fungovanie obvodu genetickej kontroly. Vo väčšine aplikácií musí návrh zohľadňovať aj náročnejšie ciele, ako je maximalizácia toku, minimalizácia výdaja energie alebo ich kombinácia. Pretože tieto ciele môžu byť vo vzájomnom konflikte, výber vhodnej kombinácie parametrov obvodu vyžaduje použitie viacúčelových optimalizačných metód v rámci tu odvodených súborov uskutočniteľnosti (pozri napríklad obrázky 5 a 8). Optimalizačné rutiny sa preto môžu použiť na vyčlenenie hodnôt parametrov, ktoré vedú k prijateľnému kompromisu medzi vzájomne kolidujúcimi cieľmi, pozri Banga [48], kde je prehľad množstva dostupných optimalizačných metód.

V dôsledku kompromisu medzi zložitosťou modelu a všeobecnosťou analytických výsledkov majú naše výsledky dve hlavné obmedzenia. Po prvé, analýzu sme obmedzili na dráhy s ireverzibilnými reakciami a po druhé, naše výsledky sú obmedzené na nerozvetvené dráhy fungujúce izolovane od zostávajúceho metabolizmu hostiteľskej bunky. Enzymatické reakcie sú vo svojej podstate reverzibilné procesy a hoci mnohé biosyntetické reakcie fungujú v režime, kde je oveľa pravdepodobnejšie, že dôjde k priamej reakcii ako jej spätná reakcia [22], ich reverzibilitu nemožno vždy zanedbať [49]. V našom prípade je použitie ireverzibilných reakcií dôležitým zjednodušením, ktoré umožnilo odvodiť intuitívne a ľahko interpretovateľné vzťahy medzi parametrami siete a jej ustáleným stavom. Medzi ďalšie prípady, kedy analýza ireverzibilných dráh viedla k novým pohľadom na princípy biologického dizajnu, patria napríklad práce v [38,43]. Naše odvodenie návrhových obmedzení parametrov promótora a silných stránok RBS sa opiera o štruktúru rovníc ustáleného stavu a skutočnosť, že väčšina z nich je od seba oddelená. Avšak v prípade an n-kroková dráha s reverzibilnými reakciami, rovnice v ustálenom stave tvoria systém 2n združené algebraické rovnice. Tieto rovnice môžu pripúšťať analytické riešenie pre špecifickú kinetiku enzýmov (pozri Heinrich & Klipp [50] pre riešenie v prípade lineárnej a Michaelis-Mentenovej kinetiky s konštantnými koncentráciami enzýmov), ale jeho rozšírenie na transkripčne kontrolované enzýmy a všeobecnú reverzibilnú kinetiku je ťažkopádne a leží mimo rámca nášho článku.

Možným riešením, ako sa vysporiadať s reverzibilnou kinetikou, je využiť prirodzené časové oddelenie medzi expresiou enzýmov a metabolickými reakciami. V tomto prístupe sa predpokladá, že trajektórie metabolitov sa vyvíjajú oveľa rýchlejšie ako koncentrácie enzýmov. To nám umožňuje aproximovať koncentrácie metabolitov ako algebraické funkcie enzýmov, čo vedie k modelu ODE iba pre enzým, ktorý podlieha algebraickým vzťahom medzi metabolitmi a enzýmami. Takýto prístup sme už predtým použili v prípade ON–OFF promótorov [36] (t. j. promótorov, ktoré sú buď plne aktívne alebo neaktívne, bez medzistupňov génovej expresie) a budúca práca sa zameria na jeho použitie s odstupňovanými promótormi, ako napr. tých, ktorí sú tu uvažovaní. Ďalšou výhodou separácie podľa časovej škály je to, že môže umožniť analýzu dráh s komplexnejšími stechiometriami. To má obrovský význam v praktických aplikáciách, pretože krížový hovor medzi riadenou cestou a zvyškom metabolizmu hostiteľa bude mať pravdepodobne škodlivý vplyv na výkon systému riadenia spätnej väzby.

Skúmame množstvo rozšírení tejto práce, ktoré sa zameriavajú predovšetkým na použitie alternatívnych topológií spätnej väzby a na kvantifikáciu vplyvu biochemického šumu na výkon dráhy. Implementácia geneticko-metabolických okruhov, nehovoriac o dolaďovaní parametrov, môže byť nákladná a časovo náročná. Naša práca poskytuje prvý krok k pochopeniu základných obmedzení a kompromisov, ktoré je potrebné riešiť vo fáze návrhu, čo potenciálne uľahčuje implementáciu pomocou zdôvodnenia riadeného modelom.


Alon U. (2007) Sieťové motívy: Teória a experimentálne prístupy. Nature Reviews Genetics 8 (6): 450–461

Bechtel W. (2006) Objavovanie bunkových mechanizmov: Tvorba modernej bunkovej biológie. Cambridge University Press, Cambridge

Bechtel W. (2007) Biologické mechanizmy: Organizované na udržanie autonómie. In: Boogerd F. C., Bruggeman F. J., Hofmeyr J. H., Westerhoff H. V (Eds.), Systems biology: Philosophical perspectives. Elsevier, New York, s. 269–302

Bechtel, W. (2009). Zovšeobecnenie a objav za predpokladu zachovaných mechanizmov: Medzidruhový výskum na cirkadiánnych oscilátoroch. Filozofia vedy, 76, 762–773.

Bechtel W. (2011) Mechanizmus a biologické vysvetlenie. Filozofia vedy 78: 533–557

Bechtel W., Abrahamsen A. (2005) Vysvetlenie: Alternatíva mechanistov. Štúdie z histórie a filozofie biologických a biomedicínskych vied 36: 421–441

Bechtel W., Richardson R. C. (1993) Objavovanie zložitosti: Dekompozícia a lokalizácia ako stratégie vo vedeckom výskume. Princeton University Press, Princeton

Bechtel W., Richardson R. C. (2010) Objavovanie zložitosti: Dekompozícia a lokalizácia ako stratégie vo vedeckom výskume. MIT Press, Cambridge

Beckwith J. (1987a) Operón laktózy. In: Neidhardt F. C., Ingraham J. L., Brooks Low K., Magasanik B., Schaechter M., Umbarger H. E (Eds.), Escherichia coli a Salmonella typhimurium: Bunková a molekulárna biológia. ASM Press, Washington, DC

Beckwith J. (1987b) Operón: Historický účet. In: Neidhardt F. C., Ingraham J. L., Brooks Low K., Magasanik B., Schaechter M., Umbarger H. E. (Eds.), Escherichia coli a Salmonella typhimurium: Bunková a molekulárna biológia.ASM Press, Washington, DC, s. 1439–1443

Benzer S. (1953) Indukovaná syntéza enzýmov v baktériách analyzovaná na bunkovej úrovni. Biochimica Biophysica Acta 11: 383-395

Bettenbrock K., Fischer S., Kremling A., Jahreis K., Sauter T., Gilles E. D. (2006) Kvantitatívny prístup ku katabolitovej represii v Escherichia coli. JBC 281: 2578–2584

Bogen J., Woodward J. (1988) Záchrana javov. Filozofický prehľad 97: 303–352

Boogerd F. C., Bruggeman F. J., Richardson R. C., Stephan A., Westerhoff H. V. (2005) Vznik a jeho miesto v prírode: Prípadová štúdia biochemických sietí. Syntéza 145: 131–164

Bruggeman F. J., Westerhoff H. V. (2006) Approaches to biosimulation of celulárnych procesov. Journal of Biological Physics 32: 273–288

Bruggeman F. J., Snoep J. L. a kol. (2008) Riadenie, odozvy a modularita celulárnych regulačných sietí: Perspektíva analýzy riadenia. IET Systems Biology 2(6): 397

Choi P. J., Cai L., Frieda K., Xie S. (2008) Stochastická udalosť jednej molekuly spúšťa zmenu fenotypu bakteriálnej bunky. Science 322: 442–445

Cohn M., Horibata K. (1959) Analýza diferenciácie a heterogenity v populácii Escherichia coli podstupujúcej indukovanú syntézu b-galaktozidázy. Journal of Bacteriology 78: 613–623

Crasnier-Mednansky M. (2008) Existuje nejaká úloha pre cAMP-CRP pri represii uhlíkového katabolitu lac operónu Escherichia coli?. Nature Reviews Microbiology 6: 954

Darden L. (2002) Objavovanie mechanizmov v molekulárnej biológii: Hľadanie a oprava neúplnosti a nesprávnosti. In: Schickore J., Steinle F. (Eds.), Revisiting discovery and justification Inštitút Maxa Plancka pre dejiny vedy. Inštitút Maxa Plancka pre dejiny vedy, Berlín, s. 143–154

Davidson EH, Rast JP, Oliveri P., Ransick A., Calestani C., Yuh C., Minokawa T., Amore G., Hinman V., Arenas-Mena C., Otim O., Brown CT, Livi CB, Lee PY, Revilla R., Rust AG, Pan ZJ, Schilstra MJ, Clarke PJC, Arnone MI, Rowen L., Cameron RA, McClay DR, Hood L., Bolouri H. (2002) Genomic regulator network for development. Science 295: 1669–1672

Deutscher J., Francke C., Postma P. W. (2006) Ako fosforylácia proteínov súvisiaca s fosfotransferázovým systémom reguluje metabolizmus uhľohydrátov v baktériách. Microbiology and Molecular Biology Reviews 70: 939–1031

Dreisigmeyer D. W., Stajic J., Nemenman I., Hlaváček W. S., Wall M. E. (2008) Determinants of bistability in duction of the Escherichia coli lac operon. IET Systems Biology 2: 293–303

Feist A. M., Pallson A. (2008) Rastúci rozsah aplikácií metabolických konštrukcií na úrovni genómu pomocou Escherichia coli. Nature Biotechnology 26: 659–667

Fell D. (1997) Pochopenie kontroly metabolizmu. Portland Press, Londýn

Glennan S. (1996) Mechanizmy a povaha príčinnej súvislosti. Erkenntnis 44: 50–71

Glennan S. (2002) Prehodnotenie mechanistického vysvetlenia. Filozofia vedy 69: S342–S353

Görke B., Stülke J. (2008a) Existuje nejaká úloha pre cAMP-CRP pri represii uhlíkového katabolitu lac operónu Escherichia coli?. Nature Reviews Microbiology 6: 954

Görke B., Stülke J. (2008b) Represia uhlíkových katabolitov v baktériách: Mnoho spôsobov, ako čo najlepšie využiť živiny. Nature Reviews Microbiology 6: 613–624

Hansen L. H., Knudsen S., Sørensen S. J. (1998) Účinok génu lacY na indukciu IPTG indukovateľných promótorov, študovaný v Escherichia coli a Pseudomonas fluorescens. Current Microbiology 36: 341–347

Heinemann M., Sauer U. (2010) Systémová biológia mikrobiálneho metabolizmu. Aktuálny názor v mikrobiológii 13: 1–7

Heinrich R., Rapoport T.A. (1974) Lineárne ošetrenie enzymatických reťazcov v ustálenom stave Všeobecné vlastnosti, kontrola a sila efektora. European Journal of Biochemistry 42 (1): 89–95

Heinrich R., Rapoport S.M. et al (1977) Metabolic Regulation and Mathematical models. Progress in Biophysics and Molecular Biology 32: 1–82

Hoek M. J. A., Hogeweg P. (2006) In silico vyvinutý lac operón vykazuje bistabilitu pre umelé induktory, ale nie pre laktózu. Biofyzikálny časopis 91: 2833–2843

Hoek M. J. A., Hogeweg P. (2007) Vplyv stochasticity na lac operón: evolučná perspektíva. PLOS Computational Biology 3: 1071–1081

Hogema B.M., Arents J.C., Bader R., Postma P.W. (1999) Autoregulácia vychytávania laktózy cez LacY permeázu enzýmom IIAGlc z PTS v Escherichia coli K-12. Molecular Microbiology 31: 1825–1833

Huang C. Y., Ferrell J. E. Jr. (1996) Ultrasensitivity in the mitogen-activated protein kinase cascade. Proceedings of the National Academy of Science USA 93(19): 10078–10083

Ideker T., Winslow L. R. a kol. (2006) Bioengineering and systems biology. Annals of Biomedical Engineering 34(2): 257–264

Inada T., Kimata K., Aiba H. (1996) Mechanizmy zodpovedné za glukózo-laktózovú diauxiu v Escherichia coli: Výzva k modelu cAMP. Gény k bunkám 1: 293–301

Jacob F., Monod J. (1961) Genetické regulačné systémy v syntéze proteínov. Journal of Molecular Biology 3: 318–356

Jensen P. R., Westerhoff H. W., Michelsen O. (1993) Použitie promótorov typu lac v kontrolnej analýze. European Journal of Biochemistry 211: 181–191

Kacser H., Burns J. A. (1973) The control of flux. Sympóziá Spoločnosti pre experimentálnu biológiu 27: 65–104

Kauffman S. (1971) Artikulácia vysvetlení častí v biológii a ich racionálne hľadanie. In: Buck R. C., Cohen R. S. (Eds.), PSA 1970. Reidel, Dordrecht, s. 257–272

Kotte O., Zaugg J. B., Heinemann M. (2010) Bakteriálna adaptácia prostredníctvom distribuovaného snímania metabolických tokov. Molecular Systems Biology 6: 355

Kremling A. K., Bettenbrock K., Gilles E. D. (2007) Analýza globálnej kontroly príjmu sacharidov Escherichia coli. BMC Systems Biology 1: 42

Krohs U., Callebaut W. (2007) Dáta bez modelov sa spájajú s modelmi bez údajov. In: Boogerd F. C., Bruggeman F. J., Hofmeyr J. H., Westerhoff H. V. (Eds.), Systems biology: Philosophical perspectives. Elsevier, New York, s. 181–213

Kuhlman T., Zhang Z., Saier M. H. Jr., Hwa T. (2007) Kombinatorická transkripčná kontrola laktózového operónu Escherichia coli. Proceedings of the National Academy of Science 104: 6043–6048

Machamer P., Darden L., Craver C. F. (2000) Myslenie o mechanizmoch. Filozofia vedy 67: 1–25

Müller-Hill B. (1996) Lac Operon: Krátka história genetickej paradigmy. Walter de Gruyter, Berlín

Narang A. (2007) Vplyv slučky DNA na indukčnú kinetiku operónu lac. Journal of Theoretical Biology 247: 695–712

Narang A. (2009) cAMP nemá dôležitú úlohu pri represii uhlíkového katabolitu lac operónu Escherichia coli. Nature Reviews Microbiology 7: 250

Narang A., Pilyugin S. S. (2008) Bistabilita lac operónu počas rastu Escherichia coli na laktóze a laktóze + glukóze. Bulletin of Mathematical Biology 70: 1032–1064

Noel J. T., Pilyugin S. S., Narang A. (2009) Difúzny influx a nosný effliux majú silný vplyv na bistabilitu lac operónu v Escherichia coli. Journal of Theoretical Biology 256: 14– 28

Novick A., Weiner M. (1957) Enzýmová indukcia ako fenomén typu všetko alebo nič. Proceedings of the National Academy of Science 43: 553–565

Ozbudak E. M., Thattai M., Lim H. N., Shraiman B. I., van Oudenaarden A. (2004) Multistability in the laktose utilisation network of Escherichia coli. Príroda 427: 737–740

Perkins T. J., Swain P. S. (2009) Stratégie bunkového rozhodovania. Molecular Systems Biology 5: 326

Reed J. L., Patel T. R., Chen K. H., Joyce A. R., Applebee M. K., Herring C. D., Bui O. T., Knight E. M., Fong S. S., Palsson B. O. (2006) Systems approach to refining genome annotation. Proceedings of the National Academy of Science USA 14: 17480–17484

Reznikoff W. S. (1992) The lactose operon-controling elements: A complex paradigm. Molecular Microbiology 6: 2419–2422

Richardson R. C. (1997) Prirodzená a umelá zložitosť. Filozofia vedy 64: S255–S267

Richardson R. C., Stephan A. (2007a) Vznik. Biologická teória 2: 91–96

Richardson, R. C. a Stephan, A. (2007b). Mechanizmus a mechanické vysvetlenie v systémovej biológii. In F. C. Boogerd, F. J. Bruggeman, J. H. Hofmeyr a H. V. Westerhoff (Eds.), Systems biology: Philosophical perspectives (s. 123–144). New York: Elsevier.

Roderick S. L. (2005) Lac operón galaktozid acetyltransferáza. C. R. Biologies 328: 568–575

Santillan M. (2008) Bistabilné správanie v modeli lac operónu v Escherichia coli s premenlivou rýchlosťou rastu. Biofyzikálny časopis 94: 2065–2081

Santillan M., Mackey M. C. (2004) Vplyv katabolitovej represie a vylúčenia induktora na bistabilné správanie lac operónu. Biofyzikálny časopis 86: 1282–1292

Santillan M., Mackey M. C. (2008) Kvantitatívne prístupy k štúdiu bistability v lac operóne Escherichia coli. J. R. Rozhranie 5: S29–S39

Santillan M., Mackey M.C., Zeron E.S. (2007) Pôvod bistability v lac operóne. Biophysical Journal 92: 3830–3842

Sarkar S. (1998) Genetika a redukcionizmus. Cambridge University Press, Cambridge

Schaffner K. (1993) Objav a vysvetlenie v biológii a medicíne. University of Chicago Press, Chicago

Schaffner K. A. (2008) Teórie, modely a rovnice v biológii: Heuristické hľadanie vznikajúcich zjednodušení v neurobiológii. Filozofia vedy 75: 1008–1021

Setty Y., Mayo A. E., Surette M. G., Alon U. (2003) Podrobná mapa cis-regulačnej vstupnej funkcie. Proceedings of the National Academy of Science 10: 7702–7707

van Beek J. H. G. M. (2006) Channeling the data flood: Handling large-scale biomolecular measurements in Silico. Proceedings of the IEEE 94(4): 692–709

Vilar, J. M. G., Guet, C., & Leibler, S. (2003). Modelovanie dynamiky siete lac operónu, prípadová štúdia. The Journal of Cell Biology, 161, 471–476.

Weber M. (2005) Filozofia experimentálnej biológie. Cambridge University Press, Cambridge

Weber M. (2008) Príčiny bez mechanizmov: Experimentálne zákonitosti, fyzikálne zákony a neurovedecké vysvetlenie. Filozofia vedy 75 (5): 995–1007

Westerhoff HV, Kolodkin A., Conradtle R., Willkinson SJ, Bruggeman FJ, Krab K., van Schuppen JH, Hardin H., Bakker BM, Moné NJ, Rybakova KN, Eijken J., van Leeuwen HJP, Snoep JL (2009 ) Systémová biológia smerom k životu in silico: Matematika riadenia živých buniek. Journal of mathematical biology 58: 7–34

Westerhoff H. V., Palsson B. O. (2004) Evolúcia molekulárnej biológie do systémovej biológie. Nature Biotechnology 22 (10): 1249–1252

Wimsatt W. C. (1987) Falošné modely ako prostriedky k pravdivejším teóriám. In: Nitecki M. H., Hofmeyr A. (Eds.), Neurónové modely v biológii. Oxford University Press, New York, s. 23–55

Wimsatt W. C. (2007) Re-engineering filozofia pre obmedzené bytosti: Piecewise aproximácie k realite. Harvard University Press, Cambridge, MA

Wong P., Gladney S., Keasling J. D. (1997) Matematický model lac operónu: Vylúčenie induktora, represia katabolitu a diauxický rast na glukóze a laktóze. Biotechnology Progress 13: 132–143

Yildirim N., Mackey M. C. (2003) Regulácia spätnej väzby v operóne laktózy: Štúdia matematického modelovania a porovnanie s experimentálnymi údajmi. Biofyzikálny časopis 84: 2841–2851

Yildirim N., Santillan M., Horike D., Mackey M. C. (2004) Dynamika a bistabilita v redukovanom modeli lac operónu. Chaos 14: 279–292


Referencie

Angeli D, Ferrell JE, Sontag ED (2004) Detekcia multistability, bifurkácií a hysterézy vo veľkej triede biologických systémov pozitívnej spätnej väzby. Proc Natl Acad Sci USA 101:1822–1827

Arnellos A, Moreno A, Ruiz-Mirazo K (2014) Organizačné požiadavky na mnohobunkovú autonómiu: poznatky z porovnávacej prípadovej štúdie. Biol Philos 29:851–884

Ashby R (1956) Úvod do kybernetiky. Chapman & Hall, Londýn

Atkins PW (1984) Druhý zákon. Scientific American, New York

Bechtel W (2007) Biologické mechanizmy: organizované na udržanie autonómie. In: Boogerd F, Bruggerman F, Hofmeyr JH, Westerhoff HV (eds) Systems biology: philosophical foundations. Elsevier, Amsterdam, s. 269–302

Bernard C (1865) Introduction à l’étude de la medecine expérimentale. Baillière, Paríž

Bernard C (1878) Leçons sur les phénomènes de la vie communs aux animaux et aux végétaux. Bailliére, Paríž

Bich L, Damiano L (2012) O vzniku biológie z chémie: diskontinuitná perspektíva z pohľadu stability a regulácie. Orig Life Evol Biosph 42 (5): 475–482

Bich L, Moreno A (2015) Úloha regulácie pri vzniku a syntetickom modelovaní minimálnej kognície. BioSystems (v tlači)

Cannon WB (1929) Organizácia pre fyziologickú homeostázu. Physiol Rev 9(3):399-431

Chalancon G, Ravarani CN, Balaji S, Martinez-Arias A, Aravind L, Jothi R, Babu MM (2012) Súhra medzi génovou expresiou, šumom a architektúrou regulačnej siete. Trends Genet 28(5):221–232

Christensen W (2007) Evolučný pôvod vôle. In: Ross D, Spurret D, Kincaid H, Stephens GL (eds.) Distribuované poznanie a vôľa: individuálna vôľa a sociálny kontext. MIT Press, Cambridge, s. 255–287

Christensen W, Bickhard M (2002) Procesná dynamika normatívnej funkcie. Monist 85 (1): 3–28

Contreras DA, Pereira U, Hernández V, Reynaert B, Letelier J-C (2011) A loop conjecture for metabolic closure. Pokroky v umelom živote, ECAL 2011. MIT Press, Cambridge, s. 94–124

Cornish-Bowden A (1995) Základy enzýmovej kinetiky. Portland Press, Londýn

Cornish-Bowden A (2014) Pochopenie alosterických a kooperatívnych interakcií v enzýmoch. FEBS J 281(2):621-632

Cornish-Bowden A, Piedrafita G, Morán F, Cárdenas M-L, Montero F (2013) Simulating a model of metabolic closure. Biol Theor 8(4):383-390

Csendes T (1984) Simulačná štúdia o chemotóne. Kybernetes 13:79–85

Davidson EH (2006) Regulačný genóm. Academic Press, New York

De la Escosura A, Briones C, Ruiz‐Mirazo K (2015) Systémová perspektíva na križovatke medzi chémiou a biológiou. J Theor Biol (v tlači)

Deamer D (2009) Systémová biológia, syntetická biológia a pôvod života. EMBO Re 10:1–4

Del Sol A, Tsai C-J, Ma B, Nussinov R (2009) Pôvod alosterickej funkčnej modulácie: viaceré už existujúce dráhy. Štruktúra 17(8):1042–1050

Di Paolo E (2005) Autopoiesis, adaptivita, teleológia, agentúra. Phenom Cog Sci 4(4):429–452

Edelmann P, Edlin G (1974) Regulácia syntézy laktózového represora. J Bacteriol 120(2):657-665

Egbert M, Barandiaran X, Di Paolo E (2010) Minimálny model chemotaxie založenej na metabolizme. PLoS Comput Biol 6(2):e1001004

Eisenbach M (2004) Chemotaxia. Imperial College Press, Londýn

Eisenbach M (2007) Stopárov sprievodca pokrokmi a koncepčnými zmenami v chemotaxii. J Cell Physiol 2(13):574-580

Eschenmoser A (2007) Otázka 1: komentár odkazujúci na výrok „pôvod života možno vysledovať späť k pôvodu kinetickej kontroly?“. Orig Life Evol Biosph 37(4–5):309–314

Fell D (1997) Pochopenie kontroly metabolizmu. Portland University Press, Londýn

Fox Keller E (2002) Zmysel života. Harvard University Press, Cambridge

Ganti T (1975) Organizácia chemických reakcií na deliace sa a metabolizujúce jednotky: chemotóny. BioSystems 7:189-195

Ganti T (2003a) Princípy života. Oxford University Press, Oxford

Ganti T (2003b) Chemotónová teória. Kluwer Academic/Plenum Publisher, New York

Griesemer J, Szathmáry E (2009) Gantiho chemotónový model a životné kritériá. V: Rasmussen S, Bedau M, Chen L, Deamer D, Krakauer DC, Packard NH, Stadler PF (eds) Protocells. Prepojenie neživej a živej hmoty. MIT Press, Cambridge, s. 481–513

Heinrich R, Schuster S (1996) Regulácia bunkových systémov. Chapman & Hall, New York

Hofmeyr J, Cornish Bowden A (1991) Kvantitatívne hodnotenie regulácie v metabolických systémoch. Eur J Biochem 200(1):223-236

Hofmeyr J, Cornish-Bowden A (2000) Regulácia bunkovej ekonomiky ponuky a dopytu. FEBS Lett 476:47–51

Jacob F (1970) La logique du vivant. Une historie de l’hérédité. Gallimard, Paríž

Jacob F, Monod J (1961) Genetické regulačné mechanizmy v syntéze proteínov. J Mol Biol 3:318-356

Kacser H, Burns JA (1973) Kontrola toku. Symp Soc Exp Biol 27:65–104

Kauffman S (2000) Investigations. Oxford University Press, Oxford

Kirschner MW, Gerhart JC, Norton J (2005) Pravdepodobnosť života. Riešenie Darwinovej dilemy. Yale University Press, New Haven

Kitano H (ed) (2001) Základy systémovej biológie. MIT Press, Cambridge

Kitano H (2004) Biologická robustnosť. Nature Rev Genet 5 (11): 826–837

Korzeniewski B (2001) Kybernetická formulácia definície života. J Theor Biol 209:275-286

Koshland DE Jr, Némethy G, Filmer D (1966) Porovnanie experimentálnych väzbových dát a teoretických modelov v proteínoch obsahujúcich podjednotky. Biochemistry 5: 365–385

Letelier J-C, Soto-Andrade J, Guinez-Abarzua F, Cardenas M-L, Cornish-Bowden A (2006) Organizačná invariancia a metabolické uzavretie: analýza z hľadiska (M, R) systémov. J Theor Biol 238:949-961

Mattick J (2004) Skrytý genetický program zložitých organizmov. Sci Am 291 (4): 60-67

Maturana H, Varela FJ (1973) De maquinas y seres vivos: una teoría sobre la organización biológica. Redakcia Universitaria, Santiago

Maturana H, Varela F (1980) Autopoiesis and cognition. Realizácia živého. Vydavateľstvo Reidel, Dordrecth

Monod J (1970) Les hasard et la necessité. Seuil, Paríž

Monod J, Chengeux J-P, Jacob F (1963) Allosteric proteins and cellular control systems. J Mol Biol 6:306-329

Monod J, Wyman J, Changeux J-P (1965) O povahe alosterických prechodov: prijateľný model. J Mol Biol 12:88-118

Montévil M, Mossio M (2015) Biologická organizácia ako uzavretie obmedzení. J Theor Biol 372:179-191

Morange M (1994) Histoire de la biologie moléculaire. Vydanie La Découverte, Paríž

Morange M (2012) Čo nám hovorí história XXVII. Nový život pre allostery. J Biosci 37(1):13-17

Moreno A, Mossio M (2015) Biologická autonómia: filozofický a teoretický výskum. Springer, New York

Mossio M, Moreno A (2010) Organizačné uzavretie v biologických organizmoch. Hist Phil Life Sci 32(2–3):26–288

Mossio M, Saborido C, Moreno A (2009) Organizačný účet biologických funkcií. Brit J Philo Sci 60:813–841

Mossio M, Bich L, Moreno A (2013) Vznik, uzavretie a medziúrovňová príčinná súvislosť v biologických systémoch. Erkenntnis 78 (2): 153–178

Motlagh HN, Wrabl JO, Li J, Hilser VJ (2014) Súborová povaha allostery. Nature 508:331–337

Pattee HH (1977) Dynamické a lingvistické režimy zložitých systémov. Int J Gen Syst 3:259–266

Piaget J (1967) Biologie et connaissance. Gallimard, Paríž

Piedrafita G, Montero F, Morán F, Cárdenas M-L, Cornish-Bowden A (2010) Jednoduchý samoudržiavací metabolický systém: robustnosť, autokatalýza, bistabilita. PLoS Comput Biol 6(8):e1000872

Pross A (2009) Hľadanie chemických koreňov darwinizmu: premostenie medzi chémiou a biológiou. Chem Eur J 15:8374-8381

Rao CV, Wolf DN, Arkin AP (2002) Kontrola, využívanie a tolerancia vnútrobunkového šumu. Príroda 420:231–237

Rosen R (1958) Relačná teória biologických systémov. Bull Math Biophys 20:245–260

Rosen R (1970) Teória dynamických systémov v biológii. Teória stability a jej aplikácie. Wiley, New York

Rosen R (1972) Niektoré modely relačných buniek: systémy na opravu metabolizmu. In: Rosen R (ed) Základy matematickej biológie, roč. II. Academic Press, New York, s. 217–253

Rosen R (1976) Filozofické, historické a teoretické úvahy o regulácii a kontrole v biológii a medicíne. In: Fleiming DG, Feinberg BN (eds) Príručka bioinžinierstva v medicíne a biológii. CRC Press, Cleveland, s. 1–40

Rosen R (1991) Život sám. Komplexné skúmanie povahy, pôvodu a výroby života. Columbia University Press, New York

Ruiz-Mirazo K, Moreno A (2004) Základná autonómia ako základný krok v syntéze života. Artif Life 10:235–259

Savageau MA (1976) Analýza biochemických systémov. Štúdium funkcie a dizajnu v molekulárnej biológii. Addison-Wesley, Reading

Sommerhoff G (1950) Analytická biológia. Oxford University Press, Londýn

Struhl K (1999) Zásadne odlišná logika génovej regulácie u eukaryotov a prokaryotov. Cela 98:1–4

Tsokolov S (2010) Teória kruhovej organizácie a negatívnej spätnej väzby: definovanie života v kybernetickom kontexte. Astrobiológia 10(10):1031–1042

van Segbroeck S, Nowe A, Lenaerts T (2009) Stochastická simulácia chemotónu. Artif Life 15:213–226

Waddington CH (1968) Základné myšlienky biológie. In: Waddington CH (ed.) K teoretickej biológii, zv. 1., ProlegomenaAtheneum, New York, s. 1–41

Wadhams GH, Armitage JP (2004) Zmysel pre to všetko: bakteriálna chemotaxia. Nature Rev Moler Cell Biol 5:1024-1037

Weiss P (1968) Dynamika rozvoja. Experimenty a závery. Academic Press, New York

Wiener N (1948) Kybernetika: alebo riadenie a komunikácia vo zvierati a v stroji. MIT Press, Cambridge

Wolkenhauer O, Mesarovic M (2005) Dynamika spätnej väzby a funkcia buniek: prečo sa systémová biológia nazýva systémová biológia. Mol BioSyst 1:14-16

Zachar I, Fedor A, Szathmáry E (2011) Dva rôzne templátové replikátory koexistujúce v tej istej protobunke: stochastická simulácia rozšíreného chemotónového modelu. PLoS ONE 6(7):e2138


Y.C. a J.N. potvrdiť financovanie z programu Európskej únie pre výskum a inovácie Horizont 2020 v rámci grantovej dohody č. 686070. Y.C. a J.N. tiež berie na vedomie financovanie od Nadácie Novo Nordisk (č. grantu NNF10CC1016517). E.v.P.-K., B.v.O., S.B., H.B., D.M. a B.T. potvrdiť financovanie od Holandskej organizácie pre vedecký výskum (grant č. ALWTF.2015.4). S.D., H.B., D.M. a B.T. potvrdiť financovanie od najvyššieho sektora Agri&Food (č. grantu AF-15503). Výpočty boli čiastočne umožnené zdrojmi poskytnutými švédskou národnou výpočtovou infraštruktúrou (SNIC) v HPC2N čiastočne financovaným Švédskou výskumnou radou prostredníctvom grantovej zmluvy č. 2018-05973.

Koncepcia štúdie: BT, HB a JN Modelovanie, simulácie a analýza údajov: YC a EvP-K Experimenty: BvO a SD Analýza údajov: DM a SB Písanie rukopisu: YC, EvP-K a BT Úprava rukopisu: Všetci autori.