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Journal articles
High-resolution mapping of bifurcations in nonlinear biochemical circuits
Anthony Genot
1, 2
A. Baccouche
1, 3
R. Sieskind
1, 4
N. Aubert-Kato
5, 6
N. Bredeche
7, 8
J. Bartolo
9, 10, 11
V. Taly
10, 11, *
T. Fujii
1
Y. Rondelez
1, 4
*
Corresponding author
2
LAAS-N2IS - Équipe Nano Ingénierie et Intégration des Systèmes
LAAS - Laboratoire d'analyse et d'architecture des systèmes
4
Gulliver
Anthony Genot 1, 2
Author
A. Baccouche 1, 3
Author
R. Sieskind 1, 4
Author
N. Aubert-Kato 5, 6
Author
N. Bredeche 7, 8
Author
J. Bartolo 9, 10, 11
Author
V. Taly 10, 11
Correspondent author IdHAL : valerie-taly
T. Fujii 1
Author
Y. Rondelez 1, 4
Author
1
LIMMS - Laboratory for Integrated Micro Mechatronics Systems (LIMMS/CNRS-IIS(UMI 2820)/ Institute of Industrial Science, University of Tokyo/ 4-6-1 Komaba, Meguro-ku, Tokyo 153-8505 Japan/ - Japan)
- The University of Tokyo (7 Chome-3-1 Hongo, Bunkyo, Tokyo 113-8654, Japon - Japan)
- CNRS - Centre National de la Recherche Scientifique : UMI2820 (France)
2
LAAS-N2IS - Équipe Nano Ingénierie et Intégration des Systèmes (France)
- LAAS - Laboratoire d'analyse et d'architecture des systèmes (7 Av du colonel Roche 31077 TOULOUSE CEDEX 4 - France)
- UT1 - Université Toulouse 1 Capitole (2 rue du Doyen-Gabriel-Marty - 31042 Toulouse Cedex 9 - France)
- INSA Toulouse - Institut National des Sciences Appliquées - Toulouse (135, avenue de Rangueil - 31077 Toulouse cedex 4 - France)
- UT2J - Université Toulouse - Jean Jaurès (5 allées Antonio Machado - 31058 Toulouse Cedex 9 - France)
- UT3 - Université Toulouse III - Paul Sabatier (118 route de Narbonne - 31062 Toulouse - France)
- Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées (41 Allée Jules Guesde, 31000 Toulouse - France)
- CNRS - Centre National de la Recherche Scientifique : UPR8001 (France)
- Toulouse INP - Institut National Polytechnique (Toulouse) (France)
- Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées (41 Allée Jules Guesde, 31000 Toulouse - France)
3
LCBPT - UMR 8601 - Laboratoire de Chimie et de Biochimie Pharmacologiques et Toxicologiques (45 Rue des Saints-Pères
75270 PARIS CEDEX 06 - France)
- UPD5 - Université Paris Descartes - Paris 5 : UMR 8601 (12, rue de l'École de Médecine - 75270 Paris cedex 06 - France)
- CNRS - Centre National de la Recherche Scientifique : UMR 8601 (France)
4
Gulliver (ESPCI Paris
10, rue Vauquelin
75231 Paris cedex 05 - France)
- ESPCI Paris - Ecole Superieure de Physique et de Chimie Industrielles de la Ville de Paris (10 rue Vauquelin, 75231 Paris cedex 05 - France)
- PSL - Université Paris sciences et lettres (60 rue Mazarine 75006 Paris - France)
- CNRS - Centre National de la Recherche Scientifique : UMR7083 (France)
5
Ochanomizu University (Japan)
6
ELSI - Earth-Life Science Institute [Tokyo] (2-12-1-IE-1 Ookayama, Meguro-Ku, Tokyo 152-8550 - Japan)
- TITECH - Tokyo Institute of Technology [Tokyo] (2-12-1 Ookayama, Meguro-ku, Tokyo, 152-8550 - Japan)
7
ISIR - Institut des Systèmes Intelligents et de Robotique (Université Pierre et Marie Curie - Paris VI Boite courrier 173 4 Place JUSSIEU 75252 Paris cedex 05 - France)
- UPMC - Université Pierre et Marie Curie - Paris 6 (4 place Jussieu - 75005 Paris - France)
- CNRS - Centre National de la Recherche Scientifique : UMR7222 (France)
8
AMAC (France)
- ISIR - Institut des Systèmes Intelligents et de Robotique (Université Pierre et Marie Curie - Paris VI Boite courrier 173 4 Place JUSSIEU 75252 Paris cedex 05 - France)
- UPMC - Université Pierre et Marie Curie - Paris 6 (4 place Jussieu - 75005 Paris - France)
- CNRS - Centre National de la Recherche Scientifique : UMR7222 (France)
9
CAMB - Conception et application de molécules bioactives (Faculté de Pharmacie 74 route du Rhin BP 60024 67401 Illkirch Cedex - France)
- CNRS - Centre National de la Recherche Scientifique : UMR7199 (France)
- UNISTRA - Université de Strasbourg (4 rue Blaise Pascal - CS 90032 - 67081 Strasbourg cedex - France)
10
MEPPOT - U1147 - Médecine Personnalisée, Pharmacogénomique, Optimisation Thérapeutique (Centre Universitaire des Saints Pères - 45 rue des Saints Pères 75006 Paris - France)
- UPD5 - Université Paris Descartes - Paris 5 : UMR_S 1147 (12, rue de l'École de Médecine - 75270 Paris cedex 06 - France)
- INSERM - Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale : U1147 (101, rue de Tolbiac, 75013 Paris - France)
11
Centre Universitaires des Saints-Pères (France)
Abstract : Analog molecular circuits can exploit the nonlinear nature of biochemical reaction networks to compute low-precision outputs with fewer resources than digital circuits. This analog computation is similar to that employed by gene-regulation networks. Although digital systems have a tractable link between structure and function, the nonlinear and continuous nature of analog circuits yields an intricate functional landscape, which makes their design counter-intuitive, their characterization laborious and their analysis delicate. Here, using droplet-based microfluidics, we map with high resolution and dimensionality the bifurcation diagrams of two synthetic, out-of-equilibrium and nonlinear programs: a bistable DNA switch and a predator-prey DNA oscillator. The diagrams delineate where function is optimal, dynamics bifurcates and models fail. Inverse problem solving on these large-scale data sets indicates interference from enzymatic coupling. Additionally, data mining exposes the presence of rare, stochastically bursting oscillators near deterministic bifurcations.
Document type :
Journal articles
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https://www.hal.inserm.fr/inserm-02299554
Contributor : Valerie Taly <>
Submitted on : Friday, September 27, 2019 - 6:14:07 PM
Last modification on : Saturday, September 26, 2020 - 11:44:09 PM
Long-term archiving on: : Monday, February 10, 2020 - 2:18:24 AM
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Identifiers
- HAL Id : inserm-02299554, version 1
- DOI : 10.1038/nchem.2544
- PUBMED : 27442281
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UNIV-TLSE3 | CNRS | INC-CNRS | LIMMS | ISIR | UNIV-PARIS5 | INSA-TOULOUSE | SITE-ALSACE | INSA-GROUPE | PARISTECH | LAAS | USPC | SORBONNE-UNIVERSITE | SU-SCIENCES | LAAS-NANO-INGENIERIE-ET-INTEGRATION | LAAS-N2IS | UT1-CAPITOLE | UNIV-TLSE2 | UNIV-PARIS | UPMC | UP-SCIENCES | PSL | ESPCI-PSL | ESPCI | GULLIVER
Citation
Anthony Genot, A. Baccouche, R. Sieskind, N. Aubert-Kato, N. Bredeche, et al.. High-resolution mapping of bifurcations in nonlinear biochemical circuits. Nature Chemistry, Nature Publishing Group, 2016, 8 (8), pp.760-767. ⟨10.1038/nchem.2544⟩. ⟨inserm-02299554⟩
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