The biochemical reaction networks that regulate living systems are all stochastic to varying degrees. The resulting randomness affects biological outcomes at multiple scales, from the functional states of single proteins in a cell to the evolutionary trajectory of whole populations. Controlling how the distribution of these outcomes changes over time—via external interventions like time-varying concentrations of chemical species—is a complex challenge. In this work, we show how counterdiabatic (CD) driving, first developed to control quantum systems, provides a versatile tool for steering biological processes. We develop a practical graph-theoretic framework for CD driving in discrete-state continuous-time Markov networks. Though CD driving is limited to target trajectories that are instantaneous stationary states, we show how to generalize the approach to allow for nonstationary targets and local control—where only a subset of system states is targeted. The latter is particularly useful for biological implementations where there may be only a small number of available external control knobs, insufficient for global control. We derive simple graphical criteria for when local versus global control is possible. Finally, we illustrate the formalism with global control of a genetic regulatory switch and local control in chaperone-assisted protein folding. The derived control protocols in the chaperone system closely resemble natural control strategies seen in experimental measurements of heat shock response in yeast and E. coli.

中文翻译：

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随机系统的捷径和生物物理过程的控制

调节生命系统的生化反应网络在不同程度上都是随机的。由此产生的随机性会影响多个尺度的生物学结果，从细胞中单个蛋白质的功能状态到整个种群的进化轨迹。控制这些结果的分布如何随时间变化——通过外部干预，如随时间变化的化学物质浓度——是一项复杂的挑战。在这项工作中，我们展示了最初为控制量子系统而开发的反绝热 (CD) 驱动如何为控制生物过程提供多功能工具。我们为离散状态连续时间马尔可夫网络中的 CD 驱动开发了一个实用的图论框架。尽管 CD 驱动仅限于瞬时静止状态的目标轨迹，我们展示了如何推广该方法以允许非平稳目标和本地控制——其中仅针对系统状态的一个子集。后者对于可能只有少量可用外部控制旋钮的生物实施特别有用，不足以进行全局控制。我们推导出何时可以进行局部控制与全局控制的简单图形标准。最后，我们用基因调控开关的全局控制和伴侣辅助蛋白质折叠的局部控制来说明形式主义。伴侣系统中衍生的控制方案与酵母和酵母的热激反应实验测量中所见的自然控制策略非常相似。后者对于可能只有少量可用外部控制旋钮的生物实施特别有用，不足以进行全局控制。我们推导出何时可以进行局部控制与全局控制的简单图形标准。最后，我们用基因调控开关的全局控制和伴侣辅助蛋白质折叠的局部控制来说明形式主义。伴侣系统中衍生的控制方案与酵母和酵母的热激反应实验测量中所见的自然控制策略非常相似。后者对于可能只有少量可用外部控制旋钮的生物实施特别有用，不足以进行全局控制。我们推导出何时可以进行局部控制与全局控制的简单图形标准。最后，我们用基因调控开关的全局控制和伴侣辅助蛋白质折叠的局部控制来说明形式主义。伴侣系统中衍生的控制方案与酵母和酵母的热激反应实验测量中所见的自然控制策略非常相似。我们用基因调控开关的全局控制和伴侣辅助蛋白质折叠的局部控制来说明形式主义。伴侣系统中衍生的控制方案与酵母和酵母的热激反应实验测量中所见的自然控制策略非常相似。我们用基因调控开关的全局控制和伴侣辅助蛋白质折叠的局部控制来说明形式主义。伴侣系统中衍生的控制方案与酵母和酵母的热激反应实验测量中所见的自然控制策略非常相似。大肠杆菌。