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Variance-corrected Michaelis-Menten equation predicts transient rates of single-enzyme reactions and response times in bacterial gene-regulation

  • Many chemical reactions in biological cells occur at very low concentrations of constituent molecules. Thus, transcriptional gene-regulation is often controlled by poorly expressed transcription-factors, such as E.coli lac repressor with few tens of copies. Here we study the effects of inherent concentration fluctuations of substrate-molecules on the seminal Michaelis-Menten scheme of biochemical reactions. We present a universal correction to the Michaelis-Menten equation for the reaction-rates. The relevance and validity of this correction for enzymatic reactions and intracellular gene-regulation is demonstrated. Our analytical theory and simulation results confirm that the proposed variance-corrected Michaelis-Menten equation predicts the rate of reactions with remarkable accuracy even in the presence of large non-equilibrium concentration fluctuations. The major advantage of our approach is that it involves only the mean and variance of the substrate-molecule concentration. Our theory is therefore accessible to experiments and notMany chemical reactions in biological cells occur at very low concentrations of constituent molecules. Thus, transcriptional gene-regulation is often controlled by poorly expressed transcription-factors, such as E.coli lac repressor with few tens of copies. Here we study the effects of inherent concentration fluctuations of substrate-molecules on the seminal Michaelis-Menten scheme of biochemical reactions. We present a universal correction to the Michaelis-Menten equation for the reaction-rates. The relevance and validity of this correction for enzymatic reactions and intracellular gene-regulation is demonstrated. Our analytical theory and simulation results confirm that the proposed variance-corrected Michaelis-Menten equation predicts the rate of reactions with remarkable accuracy even in the presence of large non-equilibrium concentration fluctuations. The major advantage of our approach is that it involves only the mean and variance of the substrate-molecule concentration. Our theory is therefore accessible to experiments and not specific to the exact source of the concentration fluctuations.zeige mehrzeige weniger

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Verfasserangaben:Otto Pulkkinen, Ralf MetzlerORCiDGND
DOI:https://doi.org/10.1038/srep17820
ISSN:2045-2322
Titel des übergeordneten Werks (Englisch):Scientific reports
Verlag:Nature Publishing Group
Verlagsort:London
Publikationstyp:Wissenschaftlicher Artikel
Sprache:Englisch
Datum der Erstveröffentlichung:04.12.2015
Erscheinungsjahr:2015
Veröffentlichende Institution:Universität Potsdam
Datum der Freischaltung:19.01.2016
Ausgabe:5
Fördernde Institution:Universität Potsdam, Publikationsfonds
Fördernummer:PA 2015_35
Organisationseinheiten:Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät / Institut für Physik und Astronomie
DDC-Klassifikation:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 53 Physik / 530 Physik
Peer Review:Referiert
Fördermittelquelle:Publikationsfonds der Universität Potsdam
Publikationsweg:Open Access
Lizenz (Deutsch):License LogoCC-BY - Namensnennung 4.0 International
Externe Anmerkung:Zweitveröffentlichung in der Schriftenreihe Postprints der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe ; 210
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