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北京大学物理学院/北京大学定量生物学中心欧阳颀教授研究组在Nature Communication杂志发表题为“Design principles for enhancing phase sensitivity and suppressing phase fluctuations simultaneously in biochemical oscillatory systems”的研究论文(doi:10.1038/s41467-018-03826-4）。文章报道了生物振荡功能在远离平衡态的设计原则。
生物振荡网络作为生命体的内禀时钟，调节各种与时间信息相关的生命过程，因此需要在减小计时涨落的同时，保持对环境信号的敏感性。对于处于热力学平衡态的系统，涨落耗散定理表明，高响应与低涨落不可能同时完成。但是生命系统处于非平衡态，并没有涨落耗散定理的约束。对于振荡网络这一非平衡态系统，如何保持高敏感性和精确性，以及对应的热力学的设计原理，是一个重要的利用物理原理理解生命系统的基本问题。
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欧阳颀教授研究组与美国IBM沃森研究中心的涂豫海教授（北京大学物理学院/定量生物学中心长江讲座教授）展开合作，首次从理论上揭示了生化反应网络优化振荡功设计原则。研究发现，通过增加系统的自由能耗散，振荡的计时精确性增加，这与之前的研究相符；更重要的是，耗散的增加还能够增强系统对于外界信号的响应，两者呈正比关系。通过对简单模型的解析发现，额外的自由能耗散可以加强振荡相位与振幅的耦合，借此来增强对信号的响应，从而打破了平衡态的涨落响应关系。为了同时达到高敏感性和精确性，系统需要精细的分配参与反应的非平衡环路中的自由能耗散。研究基于化学势与反应流提出了两条重要的能量分配原则，并在相关实验数据分析中得到验证。
生物振荡网络是生命过程的时钟。能量耗散驱动反应环路，打破热力学平衡态约束，同时减小振荡相位的扩散系数和线性增强相位响应的敏感性。
该文章的一位共同第一作者是北京大学物理学院原本科生费沉毅（现于普林斯顿大学攻读定量与计算生物学博士）；另外一位共同第一作者是物理学院原博士生曹远胜（现加州大学圣迭戈物理系博士后）。涂豫海教授为此文通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金和国家介观物理重点实验室的资助。
转自“北京大学新闻网”：http://pkunews.pku.edu.cn/xxfz/2018-04/13/content_301982.htm