Energieabbau und Rauschkorrelationen in der biochemischen Sensorik

Um chemische Konzentrationen zu messen, müssen Zellen Informationen aus stochastischen Rezeptorsignalen über Signalnetzwerke extrahieren, die ebenfalls von Natur aus stochastisch sind. Hier untersuchen wir, wie die Genauigkeit der Sensorik von den Korrelationen zwischen diesen extrinsischen und intrinsischen Rauschquellen abhängt. Wir stellen fest, dass die Sensorgenauigkeit von Signalnetzwerken, die nicht aus dem Gleichgewicht heraus betrieben werden, grundsätzlich durch den Fluktuations-Dissipationssatz begrenzt ist, der einen Kompromiss zwischen der Elimination extrinsischen und intrinsischen Rauschens erzeugt. Infolgedessen ist die Sensorgenauigkeit von Gleichgewichtssystemen durch die Anzahl der Rezeptoren begrenzt; das nachgeschaltete Netzwerk kann die Sensorik nie verbessern. Um den Kompromiss zu überwinden, ist Energieabbau entscheidend. Dies ermöglicht es dem Rezeptor, das Signal als Katalysator zu transduzieren und die zeitliche Integration des Rezeptorzustands zu ermöglichen. Um die Grenzwerte der Sensorik von Gleichgewichtssystemen zu überschreiten, muss ein kanonisches nichtgleichgewichts Signalnetzwerk basierend auf dem Push-Pull-Motiv mindestens 1k₁T pro Rezeptor dissipieren.