Role of Fast and Slow Inhibitors in Oscillatory Rhythm Design

双稳态 化学 分叉 Belousov–Zhabotinsky反应 振荡(细胞信号) 生物系统 非正面反馈 节点(物理) 化学物理 控制理论(社会学) 非线性系统 物理 物理化学 计算机科学 控制(管理) 光电子学 生物化学 量子力学 电压 人工智能 生物
作者
Hongzhang Wang,Zhenfang Cheng,Ling Yuan,Lin Ren,Changwei Pan,Irving R. Epstein,Qingyu Gao
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:145 (42): 23152-23159 被引量:2
标识
DOI:10.1021/jacs.3c07076
摘要

In biological or abiotic systems, rhythms occur, owing to the coupling between positive and negative feedback loops in a reaction network. Using the Semenov-Whitesides oscillatory network for thioester hydrolysis as a prototype, we experimentally and theoretically analyzed the role of fast and slow inhibitors in oscillatory reaction networks. In the presence of positive feedback, a single fast inhibitor generates a time delay, resulting in two saddle-node bifurcations and bistability in a continuously stirred tank reactor. A slow inhibitor produces a node-focus bifurcation, resulting in damped oscillations. With both fast and slow inhibitors present, the node-focus bifurcation repeatedly modulates the saddle-node bifurcations, producing stable periodic oscillations. These fast and slow inhibitions result in a pair of time delays between steeply ascending and descending dynamics, which originate from the positive and negative feedbacks, respectively. This pattern can be identified in many chemical relaxation oscillators and oscillatory models, e.g., the bromate-sulfite pH oscillatory system, the Belousov-Zhabotinsky reaction, the trypsin oscillatory system, and the Boissonade-De Kepper model. This study provides a novel understanding of chemical and biochemical rhythms and suggests an approach to designing such behavior.
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