單個細胞常常會具有多個表型，比如細胞中某種蛋白質的分子數要麽非常多要麽非常少的all-or-none現象，這對於細胞應對不可預知的環境變化是非常重要的。人們已經知道這種現象可以來自於細胞調控中的正反饋機製，也可能來自於基因在表達翻譯活躍程度不同的狀態間切換的機製。過去十多年中單細胞精確測量技術的飛速發展使得人們發現其實在絕大多數的細胞中，以上這兩種機製都是共存的。
單細胞實驗也已經證實，至少在細菌中，基因在活躍程度不同的狀態間的切換既不像前人的某些模型裏假設的那樣，要比轉錄和翻譯的速率還要快得多，也不像前人的另一些模型裏假設的那樣，比細胞分裂的周期還要慢得多。比如在乳糖操縱子裏，抑製蛋白與基因操縱子的解離和結合要比細胞分裂周期至少快一個數量級，而又要比轉錄和翻譯的速率至少慢一個數量級。
最近，北京國際數學研究中心的葛顥副教授、哈佛大學化學與生物化學係的謝曉亮教授與西雅圖華盛頓大學應用數學係的錢紘教授共同提出了細菌單細胞表型間的躍遷速率新理論，定量的刻畫了基因在活躍程度不同的狀態間切換的快慢是如何影響單細胞在不同表型間躍遷的速率。論文於今年的2月20日發表在《物理評論快報》(Physical Review Letters)上，通訊作者是葛顥副教授和謝曉亮教授。葛顥副教授和謝曉亮教授同時也都是北京大學生物動態光學成像中心的研究員。
因此，這篇文章著重研究了這樣一種基因在活躍程度不同的狀態間的切換既不是特別快也不是特別慢的中間情形，因為這是最符合實際情況的。首先，在這種情形下，作者提出了比完整的化學主方程模型更加簡化的速率漲落模型，其中僅僅保留了基因在活躍程度不同的狀態間切換的隨機性。
接下來，作者在該簡化模型下得到了非平衡態的景觀(landscape)函數，這類似於平衡態統計物理中用來刻畫漲落的能量函數;這種景觀函數定量刻畫了每個細胞表型的內部漲落和不同細胞表型間躍遷速率的最高階近似(leadingorder)。該表型間躍遷速率理論類似於化學反應速率中著名的Kramers理論，而且比以往的類似工作更為符合活細胞的實際且更加一般。
文章作者還詳細對比了文中的速率理論和前人基於基因在活躍程度不同的狀態間的切換要麽非常快要麽非常慢所提出的速率理論，發現從定性到定量都有著本質的區別。該新理論強調了單個DNA分子的隨機行為對於單細胞的多個表型及其功能具有十分重要的影響。
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