Fundamental trade-off between speed of switching and robustness of genetic switches limits dynamic control of metabolism
Notice bibliographique
Résumé
1 Abstract Bi-stable gene regulatory motifs are found in a wide variety of natural gene regulatory networks and effect transcriptional switching between stable phenotypic states in cells. In synthetic gene regulatory circuits, these architectures can be leveraged to dynamically switch between distinct metabolic states for metabolic engineering and therapeutic applications. However, the lack of modularity and predictability of these motifs in varying environments has limited widespread application, especially since the factors that affect switching characteristics are still unclear. In this work, we use a mathematical model along with a newly developed dynamical modeling and continuity analysis framework to analyze the dynamics and robustness of bi-stable switches over a range of biologically relevant model parameter values. We identify a hitherto undiscovered fundamental trade-off between the robustness of the motif - the parameter ranges over which it retains bi-stable function, and the speed at which it effects a phenotypic change. Further, using E. coli as a model host, we constructed a large library (100) of transcriptional switches that show a wide range of switching speeds, to experimentally demonstrate the presence of this trade-off. The presence of this trade-off has significant implications on the design of transcriptional switches for diverse applications and explains the circuit architecture of naturally occurring transcriptional switches as well. Additionally, we anticipate that our diverse library of experimentally validated robust bi-stable switches will be valuable to effect phenotypic changes with differing switching speed requirements for metabolic engineering applications. 2 Significance statement The ability to switch genes on and off in response to spatio-temporal stimuli is critical to the survival of all organisms. At the cellular level, such switching is effected by regulatory motifs such as the bi-stable genetic toggle switch. Bi-stable motifs also serve as a primitive mode of cellular memory - “remembering” the last environment to which the cells have been exposed. In this work, we uncover a fundamental trade-off between the robust functioning of these switches and the speed at which they can effect a change in the gene expression landscape. These findings have a broad impact on the design and use of such synthetic gene regulatory devices across several fields such as industrial biotechnology, healthcare, etc.
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Comment cette classification a été obtenuedéplier
Prédiction machine sur la base complète
Imitation des enseignantsNi prévalence calibrée, ni vérité terrain. Validation humaine à venir. Le volet Gemma est une étiquette directe du modèle pour chaque travail de la base, lue sur la notice réduite au titre. Le volet Codex est un classifieur appris des 10 348 étiquettes directes de Codex et calibré sur les taux pondérés de l'échantillon; les champs sans appui suffisant ne portent aucun appel Codex. Le mode candidate est l'union des deux volets; le consensus est leur intersection. Ces sorties portent le statut machine_predicted_unvalidated et ne sont pas des étiquettes humaines.
Scores du classifieur distillé par catégorie (deux têtes)
| Catégorie | Codex | Gemma |
|---|---|---|
| Métarecherche | 0,001 | 0,004 |
| Méta-épidémiologie (sens strict) | 0,000 | 0,000 |
| Méta-épidémiologie (sens large) | 0,000 | 0,000 |
| Bibliométrie | 0,000 | 0,000 |
| Études des sciences et des technologies | 0,000 | 0,001 |
| Communication savante | 0,001 | 0,001 |
| Science ouverte | 0,000 | 0,001 |
| Intégrité de la recherche | 0,001 | 0,001 |
| Charge utile insuffisante (le modèle a refusé de juger) | 0,001 | 0,000 |
Scores machine (provisoires)
Les deux têtes enseignantes du modèle étudiant, lues sur ce travail. Un score ordonne la base pour la relecture; il n'affirme jamais une catégorie, et le statut de validation accompagne chaque rangée tel quel.
Scores de référence d'un modèle non mature (critères de maturité non atteints, 7 itérations). Un score ordonne; il n'affirme jamais une catégorie.
score_only:v0-immature-baseline · tel quel depuis la passe de notation : score_only signifie que le nombre peut ordonner les travaux, et qu'aucune étiquette de catégorie n'en découleClassification
machine, non validéePrédiction automatique; un appel candidat d’une seule source (Gemma direct ou Codex distillé), pas un consensus.
Le détail, modèle par modèle et score par score, se trouve en fin de page sous « Comment cette classification a été obtenue ».