Bow-tie eller timglasstruktur är en gemensam arkitektonisk egenskap som finns i biologiska och tekniska nätverk. En bug-tie i en flerskiktig struktur uppstår när mellanskikten har mycket färre komponenter än ingångs- och utgångsskikten. Exempel är metabolism där en handfull byggstenar medierar mellan flera ingående näringsämnen och flera utgående biomassakomponenter, och signalnätverk där information från många receptortyper passerar genom en liten uppsättning signalvägar för att reglera flera utgående gener. Man vet dock inte mycket om hur bug-tie-arkitekturer utvecklas. Här behandlar vi utvecklingen av bug-tie arkitekturer med hjälp av simuleringar av flerskiktade system som utvecklas för att uppfylla ett givet input-output mål. Vi finner att bug-ties utvecklas spontant när två villkor är uppfyllda: (i) det evolutionära målet är rankbrist, där rankningen motsvarar det minimala antal inmatningsegenskaper som utgångarna är beroende av, och (ii) Effekterna av mutationer på interaktionsintensiteten mellan komponenter beskrivs av produktregeln - det muterade elementet multipliceras med ett slumpmässigt tal. Produktregelmutationer är mer biologiskt realistiska än de allmänt använda summan regelmutationer som lägger till ett slumpmässigt tal till det muterade elementet. Dessa förhållanden leder på ett robust sätt till bogbandskonstruktioner. Den minimala bredden på de mellanliggande nätverksskikten (bågbandens midja eller knut) motsvarar det evolutionära målets rang. Dessa resultat kan bidra till att förklara förekomsten av bow-ties i olika biologiska system, och kan också vara relevant för maskininlärning applikationer som använder flerskiktade nätverk. Många biologiska system visar bug-tie arkitektur: ett stort antal ingångar omvandlas till ett litet antal intermediärer, som sedan fläktar ut för att generera ett stort antal utgångar. Exempel är metaboliska nätverk och signalnätverk. Det finns dock ingen förklaring till hur bugties utvecklas inom biologin. Här finner vi att bug-ties utvecklas spontant när informationen i det evolutionära målet kan komprimeras, känd inom matematiken som ett bristfälligt mål rank. Denna rank är ett tal som bestämmer storleken på den smalaste delen av bow-tie i nätverket. Detta erbjuder en första mekanism för att förstå en gemensam arkitektonisk princip av biologiska system, och ett sätt att kvantifiera rangen av de mål under vilka de utvecklades. Denna förordning träder i kraft den tjugonde dagen efter det att den har offentliggjorts i Europeiska unionens officiella tidning.
Den tredje studien REF visade att ett skiktat och riktat nätverk kan utvecklas till en bug-tie struktur om förhållandet mellan in- och utgångar kan representeras med en rank-deficient matris, och om mutationerna i intensiteten (vikterna) av modulinteraktioner (nätverkskanter) kan modelleras som produkter med ett slumpmässigt tal (snarare än summor).
Evolution of bow-tie architectures in biology
{'venue': 'PLoS Comput Biol 11(3): e1004055', 'journal': None, 'mag_field_of_study': ['Biology', 'Medicine', 'Computer Science']}