魯棒性 (生物系統的性質)

系統生物學定義 

魯棒性是指生物調控網絡能夠抵抗細胞內外環境的擾動而維持網絡結構和功能穩定的能力。一般微調的系統（英文：fine-tuning）不是具有魯棒性的。微調的網絡隨着參數的改變，性質和網絡功能會發生較大地改變。

魯棒性，是生物迴路系統的重要的設計原則。使得基因線路的功能與細胞內變化的參數無關。生物調控網絡結構的冗餘、具有反饋、模塊化的特性使得系統在動力學上具有魯棒性，可以抵抗環境和細胞內的噪聲。

網絡的設計要求

功能性基因的冗餘

在酵母細胞中人們同時敲除大部分基因對細胞的表型僅有微弱的影響，只有不到20%的基因發生敲除時，才會導致細胞死亡。

生物調控網絡結構的冗餘性是生物調控網絡具有結構魯棒性的必要條件。

參數擾動的範圍

合成基因網絡的設計，應該以受擾動變化最小的參數來決定網絡功能。如參數 n不易受環境的擾動；n為希爾係數，表徵阻遏蛋白結合到 DNA 操作子上的協同性。構建雙穩態的按鍵式開關和振盪器都需要阻遏蛋白的n值>2。

細胞內環境的噪聲通常是由基因表達水平的隨機性或細胞內分子間相互作用的隨機性引起，而外界環境的擾動可能來源於溫度、光照或誘導物濃度等物理和化學的刺激。

在噪音的影響下，細胞內分子調控網絡的物質（mRNA、蛋白質等）的濃度及相互作用參數都有可能發生變化，但細胞內的網絡能夠在一定的噪聲範圍內維持功能的穩定性。

2016年，Potvin-Trottier分析了影響 repressilator 振盪的噪聲因素，改進實驗設計，最終提高三節點振盪網絡的魯棒性、實現 repressilator 長程同步化振盪。

利用典型的細菌的趨化性蛋白質調控迴路來闡述魯棒性: 細菌的趨向性是細胞快速適應環境變化，靠近有利於細胞生長的環境而躲避有害環境的一種能力。典型的大腸桿菌化學趨向性網絡具有動力學魯棒性，鞭毛的轉動速率僅與環境中配體濃度的變化有關，配體濃度的絕對值並不改變鞭毛的轉動速率，並且網絡中大部分參數的擾動並不影響細菌鞭毛轉動的速率。另外，當環境溫度升高時，細菌仍能保持快速而精確的完全適應性響應功能。利用Barkai-Leibler機制來解釋完全適應性響應。

存在反饋或者前饋網絡模體

負自身調節除了可以加快響應的時間，還可以增強穩態表達水平的魯棒性。因為負自身反饋的穩態濃度依賴於啟動子的K值（可被稱為阻抑值）。K值是抑制因子與DNA結合解離常數，K值在不同細胞的變化是微小的。

一致型前饋環是信號敏感的延遲性元件。如果產物的生產由邏輯門-與門控制，第二輸入需要一定的延遲時間達到活化的閾值（低於Y節點達到穩態的水平）。這種網絡拓撲可以防止短暫的信號輸入的波動，增強系統的魯棒性。