<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?><!DOCTYPE article PUBLIC "-//NLM//DTD JATS (Z39.96) Journal Archiving and Interchange DTD v1.1 20151215//EN"  "JATS-archivearticle1.dtd"><article article-type="research-article" dtd-version="1.1" xmlns:ali="http://www.niso.org/schemas/ali/1.0/" xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"><front><journal-meta><journal-id journal-id-type="nlm-ta">elife</journal-id><journal-id journal-id-type="publisher-id">eLife</journal-id><journal-title-group><journal-title>eLife</journal-title></journal-title-group><issn pub-type="epub" publication-format="electronic">2050-084X</issn><publisher><publisher-name>eLife Sciences Publications, Ltd</publisher-name></publisher></journal-meta><article-meta><article-id pub-id-type="publisher-id">60415</article-id><article-id pub-id-type="doi">10.7554/eLife.60415</article-id><article-categories><subj-group subj-group-type="display-channel"><subject>Research Article</subject></subj-group><subj-group subj-group-type="heading"><subject>Physics of Living Systems</subject></subj-group><subj-group subj-group-type="heading"><subject>Structural Biology and Molecular Biophysics</subject></subj-group></article-categories><title-group><article-title>Proofreading through spatial gradients</article-title></title-group><contrib-group><contrib contrib-type="author" id="author-196372"><name><surname>Galstyan</surname><given-names>Vahe</given-names></name><contrib-id authenticated="true" contrib-id-type="orcid">https://orcid.org/0000-0001-7073-9175</contrib-id><xref ref-type="aff" rid="aff1">1</xref><xref ref-type="fn" rid="con1"/><xref ref-type="fn" rid="conf1"/></contrib><contrib contrib-type="author" id="author-196400"><name><surname>Husain</surname><given-names>Kabir</given-names></name><xref ref-type="aff" rid="aff2">2</xref><xref ref-type="other" rid="fund1"/><xref ref-type="fn" rid="con2"/><xref ref-type="fn" rid="conf1"/></contrib><contrib contrib-type="author" id="author-196399"><name><surname>Xiao</surname><given-names>Fangzhou</given-names></name><xref ref-type="aff" rid="aff3">3</xref><xref ref-type="fn" rid="con3"/><xref ref-type="fn" rid="conf1"/></contrib><contrib contrib-type="author" corresp="yes" id="author-102705"><name><surname>Murugan</surname><given-names>Arvind</given-names></name><contrib-id authenticated="true" contrib-id-type="orcid">https://orcid.org/0000-0001-5464-917X</contrib-id><email>amurugan@uchicago.edu</email><xref ref-type="aff" rid="aff2">2</xref><xref ref-type="other" rid="fund2"/><xref ref-type="fn" rid="con4"/><xref ref-type="fn" rid="conf1"/></contrib><contrib contrib-type="author" corresp="yes" id="author-7190"><name><surname>Phillips</surname><given-names>Rob</given-names></name><contrib-id authenticated="true" contrib-id-type="orcid">https://orcid.org/0000-0003-3082-2809</contrib-id><email>phillips@pboc.caltech.edu</email><xref ref-type="aff" rid="aff3">3</xref><xref ref-type="aff" rid="aff4">4</xref><xref ref-type="other" rid="fund3"/><xref ref-type="other" rid="fund4"/><xref ref-type="fn" rid="con5"/><xref ref-type="fn" rid="conf1"/></contrib><aff id="aff1"><label>1</label><institution>Biochemistry and Molecular Biophysics Option, California Institute of Technology</institution><addr-line><named-content content-type="city">Pasadena</named-content></addr-line><country>United States</country></aff><aff id="aff2"><label>2</label><institution>Department of Physics and the James Franck Institute, University of Chicago</institution><addr-line><named-content content-type="city">Chicago</named-content></addr-line><country>United States</country></aff><aff id="aff3"><label>3</label><institution>Division of Biology and Biological Engineering, California Institute of Technology</institution><addr-line><named-content content-type="city">Pasadena</named-content></addr-line><country>United States</country></aff><aff id="aff4"><label>4</label><institution>Department of Physics, California Institute of Technology</institution><addr-line><named-content content-type="city">Pasadena</named-content></addr-line><country>United States</country></aff></contrib-group><contrib-group content-type="section"><contrib contrib-type="editor"><name><surname>Yildiz</surname><given-names>Ahmet</given-names></name><role>Reviewing Editor</role><aff><institution>University of California, Berkeley</institution><country>United States</country></aff></contrib><contrib contrib-type="senior_editor"><name><surname>Walczak</surname><given-names>Aleksandra M</given-names></name><role>Senior Editor</role><aff><institution>École Normale Supérieure</institution><country>France</country></aff></contrib></contrib-group><pub-date date-type="publication" publication-format="electronic"><day>24</day><month>12</month><year>2020</year></pub-date><pub-date pub-type="collection"><year>2020</year></pub-date><volume>9</volume><elocation-id>e60415</elocation-id><history><date date-type="received" iso-8601-date="2020-06-26"><day>26</day><month>06</month><year>2020</year></date><date date-type="accepted" iso-8601-date="2020-12-24"><day>24</day><month>12</month><year>2020</year></date></history><permissions><copyright-statement>© 2020, Galstyan et al</copyright-statement><copyright-year>2020</copyright-year><copyright-holder>Galstyan et al</copyright-holder><ali:free_to_read/><license xlink:href="http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/"><ali:license_ref>http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/</ali:license_ref><license-p>This article is distributed under the terms of the <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/">Creative Commons Attribution License</ext-link>, which permits unrestricted use and redistribution provided that the original author and source are credited.</license-p></license></permissions><self-uri content-type="pdf" xlink:href="elife-60415-v2.pdf"/><abstract><p>Key enzymatic processes use the nonequilibrium error correction mechanism called kinetic proofreading to enhance their specificity. The applicability of traditional proofreading schemes, however, is limited because they typically require dedicated structural features in the enzyme, such as a nucleotide hydrolysis site or multiple intermediate conformations. Here, we explore an alternative conceptual mechanism that achieves error correction by having substrate binding and subsequent product formation occur at distinct physical locations. The time taken by the enzyme–substrate complex to diffuse from one location to another is leveraged to discard wrong substrates. This mechanism does not have the typical structural requirements, making it easier to overlook in experiments. We discuss how the length scales of molecular gradients dictate proofreading performance, and quantify the limitations imposed by realistic diffusion and reaction rates. Our work broadens the applicability of kinetic proofreading and sets the stage for studying spatial gradients as a possible route to specificity.</p></abstract><kwd-group kwd-group-type="author-keywords"><kwd>error correction</kwd><kwd>molecular gradients</kwd><kwd>compartmentalization</kwd><kwd>energy expenditure</kwd><kwd>diffusion</kwd></kwd-group><kwd-group kwd-group-type="research-organism"><title>Research organism</title><kwd>None</kwd></kwd-group><funding-group><award-group id="fund1"><funding-source><institution-wrap><institution-id institution-id-type="FundRef">http://dx.doi.org/10.13039/100000913</institution-id><institution>James S. McDonnell Foundation</institution></institution-wrap></funding-source><principal-award-recipient><name><surname>Husain</surname><given-names>Kabir</given-names></name></principal-award-recipient></award-group><award-group id="fund2"><funding-source><institution-wrap><institution-id institution-id-type="FundRef">http://dx.doi.org/10.13039/100000893</institution-id><institution>Simons Foundation</institution></institution-wrap></funding-source><principal-award-recipient><name><surname>Murugan</surname><given-names>Arvind</given-names></name></principal-award-recipient></award-group><award-group id="fund3"><funding-source><institution-wrap><institution-id institution-id-type="FundRef">http://dx.doi.org/10.13039/100000925</institution-id><institution>John Templeton Foundation</institution></institution-wrap></funding-source><principal-award-recipient><name><surname>Phillips</surname><given-names>Rob</given-names></name></principal-award-recipient></award-group><award-group id="fund4"><funding-source><institution-wrap><institution-id institution-id-type="FundRef">http://dx.doi.org/10.13039/100000057</institution-id><institution>National Institute of General Medical Sciences</institution></institution-wrap></funding-source><principal-award-recipient><name><surname>Phillips</surname><given-names>Rob</given-names></name></principal-award-recipient></award-group><funding-statement>The funders had no role in study design, data collection and interpretation, or the decision to submit the work for publication.</funding-statement></funding-group><custom-meta-group><custom-meta specific-use="meta-only"><meta-name>Author impact statement</meta-name><meta-value>Theoretical study shows how enzymes can achieve substrate proofreading by taking advantage of existing molecular gradients in the cell while not being endowed with structural features typically required for proofreading.</meta-value></custom-meta></custom-meta-group></article-meta></front><body><sec id="s1" sec-type="intro"><title>Introduction</title><p>The nonequilibrium mechanism called kinetic proofreading (<xref ref-type="bibr" rid="bib17">Hopfield, 1974</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="bib36">Ninio, 1975</xref>) is used for reducing the error rates of many biochemical processes important for cell function (e.g. DNA replication [<xref ref-type="bibr" rid="bib26">Kunkel, 2004</xref>], transcription [<xref ref-type="bibr" rid="bib46">Sydow and Cramer, 2009</xref>], translation [<xref ref-type="bibr" rid="bib40">Rodnina and Wintermeyer, 2001</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="bib19">Ieong et al., 2016</xref>], signal transduction [<xref ref-type="bibr" rid="bib45">Swain and Siggia, 2002</xref>], or pathogen recognition [<xref ref-type="bibr" rid="bib31">McKeithan, 1995</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="bib14">Goldstein et al., 2004</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="bib8">Cui and Mehta, 2018</xref>]). Proofreading mechanisms operate by inducing a delay between substrate binding and product formation via intermediate states for the enzyme–substrate complex. Such a delay gives the enzyme multiple chances to release the wrong substrate after initial binding, allowing far lower error rates than what one would expect solely from the binding energy difference between right and wrong substrates.</p><p>Traditional proofreading schemes require dedicated molecular features such as an exonuclease pocket in DNA polymerases (<xref ref-type="bibr" rid="bib26">Kunkel, 2004</xref>) or multiple phosphorylation sites on T-cell receptors (<xref ref-type="bibr" rid="bib31">McKeithan, 1995</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="bib14">Goldstein et al., 2004</xref>); such features create intermediate states that delay product formation (<xref ref-type="fig" rid="fig1">Figure 1a</xref>) and thus allow proofreading. Additionally, since proofreading is an active nonequilibrium process often involving near–irreversible reactions, the enzyme typically needs to have an ATP or GTP hydrolysis site to enable the use of energy supplies of the cell (<xref ref-type="bibr" rid="bib51">Yamane and Hopfield, 1977</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="bib40">Rodnina and Wintermeyer, 2001</xref>). Due to such stringent structural requirements, the number of confirmed proofreading enzymes is relatively small. Furthermore, generic enzymes without such dedicated features are assumed to not have active error correction available to them.</p><fig id="fig1" position="float"><label>Figure 1.</label><caption><title>Error correction schemes that operate by delaying product formation.</title><p>(<bold>a</bold>) The traditional proofreading scheme with multiple biochemically distinct intermediates, transitions between which are typically accompanied by energy–consuming reactions. The T-cell activation mechanism with successive phosphorylation events is used for demonstration (<xref ref-type="bibr" rid="bib31">McKeithan, 1995</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="bib8">Cui and Mehta, 2018</xref>). (<bold>b</bold>) The spatial proofreading scheme where the delay between binding and catalysis is created by constraining these events to distinct physical locations. The wavy arrows stand for the diffusive motion of the complex. Binding events primarily take place on the length scale <inline-formula><mml:math id="inf1"><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:msub></mml:msub></mml:math></inline-formula> of substrate localization.</p></caption><graphic mime-subtype="tiff" mimetype="image" xlink:href="elife-60415-fig1-v2.tif"/></fig><p>In this work, we propose an alternative scheme where the delay between initial substrate binding and product formation steps is achieved by separating these events in space. If substrates are spatially localized and product formation is favorable only in a region of low substrate concentration where an activating effector is present then the time taken by the enzyme–substrate complex to travel from one location to the other can be used to discard the wrong substrates, which are assumed to unbind from the enzyme more readily than the right substrates (<xref ref-type="fig" rid="fig1">Figure 1b</xref>). When this delay is longer than substrate unbinding time scales, very low error rates of product formation can be achieved, allowing this spatial proofreading scheme to outperform biochemical mechanisms with a finite number of proofreading steps.</p><p>In contrast to traditional proofreading, the nonequilibrium mechanism here does not require any direct energy consumption by the enzyme or substrate itself (e.g. through ATP hydrolysis). This liberates the enzyme from any proofreading-specific molecular features; indeed, any ‘equilibrium’ enzyme with a localized effector can proofread using our scheme if appropriate concentration gradients of the substrates or enzymes are set up. In this way, the energetic and structural requirements of proofreading can be outsourced from the enzyme and substrate to the gradient maintaining mechanism. It also means that spatial proofreading is easy to overlook in experiments, and that the fidelity of reconstituted reactions in vitro could be lower than the fidelity in vivo.</p><p>The lack of reliance on structure makes spatial proofreading more adaptable. We study how tuning the length scale of concentration gradients can trade off error rate against speed and energy consumption on the fly. In contrast, traditional proofreading schemes rely on nucleotide chemical potentials, for example, the out of equilibrium [ATP]/[ADP] ratio in the cell, and cannot modulate their operation without broader physiological disruptions.</p><p>Our proposed scheme can be leveraged for specificity if appropriate concentration gradients are set. Such gradients arise in multiple cellular contexts (e.g. near the nucleus, the plasma membrane, the Golgi apparatus, the endoplasmic reticulum [ER], kinetochores, microtubules [<xref ref-type="bibr" rid="bib4">Bivona et al., 2003</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="bib6">Caudron et al., 2005</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="bib24">Kholodenko, 2006</xref>]) and several gradient-forming mechanisms have been discussed in the literature (<xref ref-type="bibr" rid="bib50">Wu et al., 2018</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="bib24">Kholodenko, 2006</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="bib23">Kholodenko, 2003</xref>). We conclude our analysis of spatial proofreading by quantifying its limitations as set by realistic reaction rates and gradient formation mechanisms, and discuss examples from the literature, including the localization of mRNAs in polarised cells, and the non-vesicular transport of lipids in eukaryotic cells, in which this mechanism might be in play. Our work motivates a detailed investigation of spatial structures and compartmentalization in living cells as possible delay mechanisms for proofreading enzymatic reactions.</p></sec><sec id="s2" sec-type="results"><title>Results</title><sec id="s2-1"><title>Slow transport of enzymatic complex enables proofreading</title><p>Our proposed scheme is based on spatially separating substrate binding and product formation events for the enzyme (<xref ref-type="fig" rid="fig1">Figure 1b</xref>). Such a setting arises naturally if substrates are spatially localized by having concentration gradients in a cellular compartment. Similarly, an effector needed for product formation (e.g. through allosteric activation) may have a spatial concentration gradient localized elsewhere in that compartment. To keep our model simple, we assume that the right (R) and wrong (W) substrates have identical concentration gradients of length scale <inline-formula><mml:math id="inf2"><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:msub></mml:msub></mml:math></inline-formula> but that the effector is entirely localized to one end of the compartment, for example via membrane tethering. In Appendix 4, we extend our study of model performance to the scenario where the two substrates have different localization length scales. </p><p>We model our system using coupled reaction–diffusion equations for the substrate-bound (‘ES’ with <inline-formula><mml:math id="inf3"><mml:mrow><mml:mtext>S</mml:mtext><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mtext>R</mml:mtext><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>W</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula>) and free (‘E’) enzyme densities, namely,<disp-formula id="equ1"><label>(1)</label><mml:math id="m1"><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">∂</mml:mi><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ER</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">∂</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>D</mml:mi><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">∂</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ER</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">∂</mml:mi><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>−</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>off</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>R</mml:mtext></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ER</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>on</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>R</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>E</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mstyle></mml:math></disp-formula><disp-formula id="equ2"><label>(2)</label><mml:math id="m2"><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">∂</mml:mi><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>EW</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">∂</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>D</mml:mi><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">∂</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>EW</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">∂</mml:mi><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>−</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>off</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>W</mml:mtext></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>EW</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>on</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>W</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>E</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mstyle></mml:math></disp-formula><disp-formula id="equ3"><label>(3)</label><mml:math id="m3"><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">∂</mml:mi><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>E</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">∂</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>D</mml:mi><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">∂</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>E</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">∂</mml:mi><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>+</mml:mo><mml:munder><mml:mo>∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mtext>S</mml:mtext><mml:mo>=</mml:mo><mml:mtext>R</mml:mtext><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>W</mml:mtext></mml:mrow></mml:munder><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>off</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>−</mml:mo><mml:munder><mml:mo>∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mtext>S</mml:mtext><mml:mo>=</mml:mo><mml:mtext>R</mml:mtext><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>W</mml:mtext></mml:mrow></mml:munder><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>on</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>E</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mstyle></mml:math></disp-formula></p><p>Here, <italic>D</italic> is the enzyme diffusion constant, <inline-formula><mml:math id="inf4"><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mtext>on</mml:mtext></mml:msub></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="inf5"><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mtext>off</mml:mtext><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:msubsup></mml:math></inline-formula> (with <inline-formula><mml:math id="inf6"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mtext>off</mml:mtext><mml:mtext>W</mml:mtext></mml:msubsup><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mtext>off</mml:mtext><mml:mtext>R</mml:mtext></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>) are the substrate binding and unbinding rates, respectively, and <inline-formula><mml:math id="inf7"><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:msub></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>∼</mml:mo><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:msub></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the spatially localized substrate concentration profile which we take to be exponentially decaying, which is often the case for profiles created by cellular gradient formation mechanisms (<xref ref-type="bibr" rid="bib9">Driever and Nüsslein-Volhard, 1988</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="bib5">Brown and Kholodenko, 1999</xref>). We limit our discussion to this one-dimensional setting of the system, though our treatment can be generalized to two and three dimensions in a straightforward way.</p><p>The above model does not explicitly account for several effects relevant to living cells, such as depletion of substrates or distinct diffusion rates for the free and substrate-bound enzymes. More importantly, it does not account for the mechanism of substrate gradient formation. We analyze a biochemically detailed model with this latter feature and experimentally constrained parameters later in the paper. Here, we proceed with the minimal model above for explanatory purposes. To identify the key determinants of the model’s performance, we assume throughout our analysis that the amount of substrates is sufficiently low that the enzymes are mostly free with a roughly uniform profile (i.e. <inline-formula><mml:math id="inf8"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>E</mml:mtext></mml:msub></mml:msub><mml:mo>≈</mml:mo><mml:mtext>constant</mml:mtext></mml:mrow></mml:math></inline-formula>). This assumption makes <xref ref-type="disp-formula" rid="equ1 equ2 equ3">Equations (1-3)</xref> linear and allows us to solve them analytically at steady state. We demonstrate in Appendix 5 that proofreading is, in fact, most effective under this assumption and discuss the consequences of having high substrate amounts on the performance of the scheme.</p><p>In our simplified picture, enzyme activation and catalysis take place upon reaching the right boundary at a rate <italic>r</italic> that is identical for both substrates. Therefore, the density of substrate–bound enzymes at the right boundary can be taken as a proxy for the rate of product formation <inline-formula><mml:math id="inf9"><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:msub></mml:math></inline-formula>, since <disp-formula id="equ4"><label>(4)</label><mml:math id="m4"><mml:mtable columnspacing="5pt" displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd columnalign="right"><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:msub></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd/></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>where <italic>L</italic> is the size of the compartment. In order to keep the analytical results concise and intuitive, we perform our main analyses under the assumption that catalysis is slow, mirroring the study of traditional proofreading schemes (<xref ref-type="bibr" rid="bib17">Hopfield, 1974</xref>). In Appendix 3, we derive the precise conditions under which this treatment is valid, and generalize our analysis to arbitrary catalysis rates.</p><p>To demonstrate the proofreading capacity of the model, we first analyze the limiting case where substrates are localized to the left end of the compartment (<inline-formula><mml:math id="inf10"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:msub></mml:msub><mml:mo>→</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>). In this limit, the fidelity <inline-formula><mml:math id="inf11"><mml:mi>η</mml:mi></mml:math></inline-formula>, defined as the number of right products formed per single wrong product, becomes<disp-formula id="equ5"><label>(5)</label><mml:math id="m5"><mml:mtable columnspacing="5pt" displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd columnalign="right"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mtext>R</mml:mtext></mml:msub><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mtext>W</mml:mtext></mml:msub></mml:mfrac><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mpadded width="+1.7pt"><mml:msqrt><mml:msub><mml:mi>η</mml:mi><mml:mtext>eq</mml:mtext></mml:msub></mml:msqrt></mml:mpadded><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>sinh</mml:mi><mml:mo>⁡</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msqrt><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>τ</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mtext>off</mml:mtext><mml:mtext>W</mml:mtext></mml:msubsup></mml:mrow></mml:msqrt><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>sinh</mml:mi><mml:mo>⁡</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msqrt><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>τ</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mtext>off</mml:mtext><mml:mtext>R</mml:mtext></mml:msubsup></mml:mrow></mml:msqrt><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd/></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>where <inline-formula><mml:math id="inf12"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>η</mml:mi><mml:mtext>eq</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mtext>off</mml:mtext><mml:mtext>W</mml:mtext></mml:msubsup><mml:mo>/</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mtext>off</mml:mtext><mml:mtext>R</mml:mtext></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the equilibrium fidelity, and <inline-formula><mml:math id="inf13"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>τ</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>L</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the characteristic time scale of diffusion across the compartment (see Appendix 1 for the derivation).</p><p><xref ref-type="disp-formula" rid="equ5">Equation 5</xref> is plotted in <xref ref-type="fig" rid="fig2">Figure 2</xref> for a family of different parameter values. As can be seen, when diffusion is fast (small <inline-formula><mml:math id="inf14"><mml:msub><mml:mi>τ</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula>), fidelity converges to its equilibrium value and proofreading is lost (<inline-formula><mml:math id="inf15"><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mo>≈</mml:mo><mml:msqrt><mml:msub><mml:mi>η</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>eq</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:msqrt><mml:mo>×</mml:mo><mml:mrow><mml:msqrt><mml:msub><mml:mi>τ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>off</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>W</mml:mtext></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>τ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>off</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>R</mml:mtext></mml:mrow></mml:msubsup></mml:msqrt></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>η</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>eq</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mstyle></mml:math></inline-formula>). Conversely, when diffusion is slow (large <inline-formula><mml:math id="inf16"><mml:msub><mml:mi>τ</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula>), the enzyme undergoes multiple rounds of binding a substrate at the left end and unbinding midway until it manages to diffuse across the whole compartment as a complex and form a product. These rounds serve as ‘futile cycles’ that endow the system with proofreading. In this regime, fidelity scales as<disp-formula id="equ6"><label>(6)</label><mml:math id="m6"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mo>∼</mml:mo><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msqrt><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mtext>off</mml:mtext><mml:mtext>W</mml:mtext></mml:msubsup></mml:msqrt><mml:mo>-</mml:mo><mml:msqrt><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mtext>off</mml:mtext><mml:mtext>R</mml:mtext></mml:msubsup></mml:msqrt></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msqrt><mml:msub><mml:mi>τ</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi></mml:msub></mml:msqrt></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p><fig id="fig2" position="float"><label>Figure 2.</label><caption><title>Dependence of fidelity on the diffusion time scale in the limit of very high substrate localization.</title><p>Individual curves were made for different choices of <inline-formula><mml:math id="inf17"><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mtext>off</mml:mtext><mml:mtext>W</mml:mtext></mml:msubsup></mml:math></inline-formula> (varied in the <inline-formula><mml:math id="inf18"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>10</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>100</mml:mn></mml:mrow><mml:mo rspace="4.2pt" stretchy="false">]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mtext>off</mml:mtext><mml:mtext>R</mml:mtext></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> range). <inline-formula><mml:math id="inf19"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>τ</mml:mi><mml:mtext>off</mml:mtext><mml:mtext>R</mml:mtext></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mtext>off</mml:mtext><mml:mtext>R</mml:mtext></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the unbinding time scale of right substrates, kept fixed in the study. Fidelity values corresponding to integer degrees of proofreading in a traditional sense (<inline-formula><mml:math id="inf20"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>η</mml:mi><mml:mtext>eq</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>η</mml:mi><mml:mtext>eq</mml:mtext><mml:mi>n</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="inf21"><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula>) are marked as circles. Dominant processes in the two limiting regimes are highlighted in red in the schematics shown as insets.</p></caption><graphic mime-subtype="tiff" mimetype="image" xlink:href="elife-60415-fig2-v2.tif"/></fig><p>To get further insights, we introduce an effective number of extra biochemical intermediates (<italic>n</italic>) that a traditional proofreading scheme would need to have in order to yield the same fidelity, that is <inline-formula><mml:math id="inf22"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>η</mml:mi><mml:mtext>eq</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>η</mml:mi><mml:mtext>eq</mml:mtext><mml:mi>n</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. We calculate this number as (see Appendix 1)<disp-formula id="equ7"><label>(7)</label><mml:math id="m7"><mml:mtable columnspacing="5pt" displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd columnalign="right"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>≈</mml:mo><mml:mfrac><mml:msqrt><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>τ</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mtext>off</mml:mtext><mml:mtext>W</mml:mtext></mml:msubsup></mml:mrow></mml:msqrt><mml:mrow><mml:mi>ln</mml:mi><mml:mo>⁡</mml:mo><mml:msub><mml:mi>η</mml:mi><mml:mtext>eq</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd/></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula></p><p>Notably, since <inline-formula><mml:math id="inf23"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>τ</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi></mml:msub><mml:mo>∼</mml:mo><mml:msup><mml:mi>L</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, the result above suggests a linear relationship between the effective number of proofreading realizations and the compartment size (<inline-formula><mml:math id="inf24"><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>∼</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>). In addition, because the right-hand side of <xref ref-type="disp-formula" rid="equ7">Equation 7</xref> is an increasing function of <inline-formula><mml:math id="inf25"><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mtext>off</mml:mtext><mml:mtext>W</mml:mtext></mml:msubsup></mml:math></inline-formula>, the proofreading efficiency of the scheme rises with larger differences in substrate off-rates (<xref ref-type="fig" rid="fig2">Figure 2</xref>) – a feature that ‘hard–wired’ traditional proofreading schemes with a fixed number of proofreading steps lack.</p></sec><sec id="s2-2"><title>Navigating the speed–fidelity trade-off</title><p>As is inherent to all proofreading schemes, the fidelity enhancement described earlier comes at a cost of reduced product formation speed. This reduction, in our case, happens because of increased delays in diffusive transport. Here, we explore the resulting speed–fidelity trade-off and its different regimes by varying two of the model parameters: diffusion time scale <inline-formula><mml:math id="inf26"><mml:msub><mml:mi>τ</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> and the substrate localization length scale <inline-formula><mml:math id="inf27"><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:msub></mml:msub></mml:math></inline-formula>.</p><p>Speed and fidelity for different sampled values of <inline-formula><mml:math id="inf28"><mml:msub><mml:mi>τ</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="inf29"><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:msub></mml:msub></mml:math></inline-formula> are depicted in <xref ref-type="fig" rid="fig3">Figure 3a</xref>. As can be seen, for a fixed <inline-formula><mml:math id="inf30"><mml:msub><mml:mi>τ</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula>, the reduction of <inline-formula><mml:math id="inf31"><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:msub></mml:msub></mml:math></inline-formula> can trade off fidelity against speed. This trade-off is intuitive; with tighter substrate localization, the complexes are formed closer to the left boundary. Hence, a smaller fraction of complexes reach the activation region, reducing reaction speed. The Pareto-optimal front of the trade-off over the whole parameter space, shown as a red curve on the plot, is reached in the limit of ideal substrate localization (<inline-formula><mml:math id="inf32"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:msub></mml:msub><mml:mo>→</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>). Varying the diffusion time scale allows one to navigate this optimal trade-off curve and access different performance regimes.</p><fig id="fig3" position="float"><label>Figure 3.</label><caption><title>Speed–fidelity trade-off and consequences of having weak substrate gradients.</title><p>(<bold>a</bold>) Speed and fidelity evaluated for sampled values of the diffusion time scale (<inline-formula><mml:math id="inf33"><mml:msub><mml:mi>τ</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula>) and substrate localization length scale (<inline-formula><mml:math id="inf34"><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:msub></mml:msub></mml:math></inline-formula>). Here, <inline-formula><mml:math id="inf35"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mtext>eq</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>∼</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mtext>off</mml:mtext><mml:mtext>R</mml:mtext></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the speed in the equilibrium limit of a uniform substrate profile (<inline-formula><mml:math id="inf36"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:msub></mml:msub><mml:mo>→</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>). The red line corresponds to the Pareto-optimal front and is reached in the high substrate localization limit. The example speed–fidelity trade-off illustrated through the black dotted curve is obtained for <inline-formula><mml:math id="inf37"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>τ</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi></mml:msub><mml:mo>≈</mml:mo><mml:mrow><mml:mpadded width="+1.7pt"><mml:mn>20</mml:mn></mml:mpadded><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>τ</mml:mi><mml:mtext>off</mml:mtext><mml:mtext>R</mml:mtext></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. (<bold>b</bold>) Density profiles of wrong (EW) and right (ER) complexes in three qualitatively different performance regimes. The normalization factor <inline-formula><mml:math id="inf38"><mml:msubsup><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:msub><mml:mtext>eq</mml:mtext></mml:msubsup></mml:math></inline-formula> corresponds to the equilibrium complex densities. (<bold>c</bold>) Fidelity as a function of diffusion time scale for different choices of <inline-formula><mml:math id="inf39"><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:msub></mml:msub></mml:math></inline-formula> (varied in the <inline-formula><mml:math id="inf40"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:mn>0.04</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0.4</mml:mn><mml:mo rspace="4.2pt" stretchy="false">]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> range). The dashed line corresponds to the ideal substrate localization limit (<inline-formula><mml:math id="inf41"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:msub></mml:msub><mml:mo>→</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>). Inset: Fidelity as a function of <inline-formula><mml:math id="inf42"><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:msub></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> for a fixed <inline-formula><mml:math id="inf43"><mml:msub><mml:mi>τ</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula>. Shaded area indicates the range where the bulk of fidelity enhancement takes place. Equilibrium fidelity <inline-formula><mml:math id="inf44"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>η</mml:mi><mml:mtext>eq</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>10</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> was used in generating all the panels.</p></caption><graphic mime-subtype="tiff" mimetype="image" xlink:href="elife-60415-fig3-v2.tif"/></fig><p>Specifically, if the diffusion time scale is fast compared with the time scales of substrate unbinding (i.e. <inline-formula><mml:math id="inf45"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>τ</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi></mml:msub><mml:mo>≪</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mtext>off</mml:mtext><mml:mtext>R</mml:mtext></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mtext>off</mml:mtext><mml:mtext>W</mml:mtext></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula>), then both right and wrong complexes that form near the left boundary arrive at the activation region with high probability, resulting in high speeds, although at the expense of error–prone product formation (<xref ref-type="fig" rid="fig3">Figure 3b</xref>, top). In the opposite limit of slow diffusion, both types of complexes have exponentially low densities at the activation region, but due to the difference in substrate off-rates, production is highly accurate (<xref ref-type="fig" rid="fig3">Figure 3b</xref>, bottom). There also exists an intermediate regime where a significant fraction of right complexes reach the activation region while the vast majority of wrong complexes do not (<xref ref-type="fig" rid="fig3">Figure 3b</xref>, middle). As a result, an advantageous trade-off is achieved where a moderate decrease in the production rate yields high fidelity enhancement – a feature that was also identified in multi-step traditional proofreading models (<xref ref-type="bibr" rid="bib32">Murugan et al., 2012</xref>).</p><p>In Appendix 3, we also study this trade-off caused by varying the catalysis rate <inline-formula><mml:math id="inf46"><mml:mi>r</mml:mi></mml:math></inline-formula>. Briefly, we find that when all other parameters are fixed, increasing <inline-formula><mml:math id="inf47"><mml:mi>r</mml:mi></mml:math></inline-formula> trades off fidelity against speed in a linear fashion, with the ratio of highest and lowest fidelity values falling in the <inline-formula><mml:math id="inf48"><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:msqrt><mml:msub><mml:mi>η</mml:mi><mml:mtext>eq</mml:mtext></mml:msub></mml:msqrt><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>η</mml:mi><mml:mtext>eq</mml:mtext></mml:msub><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> range. The Pareto–optimal front of the trade-off, however, monotonically shifts toward the higher speed region, suggesting that faster catalysis is, in fact, more favorable if the diffusion time scale <inline-formula><mml:math id="inf49"><mml:msub><mml:mi>τ</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> can be adjusted accordingly (see Appendix 3 for details).</p><p>We saw in <xref ref-type="fig" rid="fig3">Figure 3a</xref> that in the case of ideal substrate localization, the slowdown of diffusive transport necessarily reduced the production rate and increased the fidelity. The latter part of this statement, however, breaks down when substrate gradients are weak. Indeed, fidelity exhibits a non-monotonic response to tuning <inline-formula><mml:math id="inf50"><mml:msub><mml:mi>τ</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> when the substrate gradient length scale <inline-formula><mml:math id="inf51"><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:msub></mml:msub></mml:math></inline-formula> is non-zero (<xref ref-type="fig" rid="fig3">Figure 3c</xref>). The reason for the eventual decay in fidelity is the fact that with slower diffusion (larger <inline-formula><mml:math id="inf52"><mml:msub><mml:mi>τ</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula>), substrate binding and unbinding events take place more locally and therefore, the right and wrong complex profiles start to resemble the substrate profile itself, which does not discriminate between the two substrate kinds. We show in Appendix 1 that the optimal diffusion time scale can be roughly approximated as <inline-formula><mml:math id="inf53"><mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>τ</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>/</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>τ</mml:mi><mml:mtext>off</mml:mtext><mml:mtext>R</mml:mtext></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo>≈</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>η</mml:mi><mml:mtext>eq</mml:mtext><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:msub></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, which increases monotonically with <inline-formula><mml:math id="inf54"><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:msub></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, consistent with the shifting peaks in <xref ref-type="fig" rid="fig3">Figure 3c</xref>.</p><p>Not surprisingly, the error–correcting capacity of the scheme improves with better substrate localization (lower <inline-formula><mml:math id="inf55"><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:msub></mml:msub></mml:math></inline-formula>). For a fixed <inline-formula><mml:math id="inf56"><mml:msub><mml:mi>τ</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula>, the bulk of this improvement takes place when <inline-formula><mml:math id="inf57"><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:msub></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is tuned in a range set by the two key dimensionless numbers of the model, namely, <inline-formula><mml:math id="inf58"><mml:msqrt><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>τ</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mtext>off</mml:mtext><mml:mtext>R</mml:mtext></mml:msubsup></mml:mrow></mml:msqrt></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="inf59"><mml:msqrt><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>τ</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mtext>off</mml:mtext><mml:mtext>W</mml:mtext></mml:msubsup></mml:mrow></mml:msqrt></mml:math></inline-formula> (<xref ref-type="fig" rid="fig3">Figure 3c</xref>, inset). In Appendix 1, we provide an analytical justification for this result. Taken together, these parametric studies uncover the operational principles of the spatial proofreading scheme and demonstrate how the speed–fidelity trade-off could be dynamically navigated as needed by tuning the key time and length scales of the model.</p></sec><sec id="s2-3"><title>Energy dissipation and limits of proofreading performance</title><p>A hallmark signature of proofreading is that it is a nonequilibrium mechanism with an associated free energy cost. In our scheme, the enzyme itself is not directly involved in any energy-consuming reactions, such as hydrolysis. Instead, the free energy cost comes from maintaining the spatial gradient of substrates, which the enzymatic reaction tends to homogenize by releasing bound substrates in regions of low substrate concentration. As the activating effectors are assumed to be tethered at <inline-formula><mml:math id="inf60"><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, they do not require dissipation to remain localized.</p><p>While mechanisms of substrate gradient maintenance may differ in their energetic efficiency, there exists a thermodynamically dictated minimum energy that any such mechanism must dissipate per unit time. We calculate this minimum power <italic>P</italic> as<disp-formula id="equ8"><label>(8)</label><mml:math id="m8"><mml:mtable columnspacing="5pt" displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd columnalign="right"><mml:mi>P</mml:mi></mml:mtd><mml:mtd columnalign="left"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:munder><mml:mo largeop="true" movablelimits="false" symmetric="true">∑</mml:mo><mml:mtext>S = {R,W}</mml:mtext></mml:munder><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mo largeop="true" symmetric="true">∫</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mi>L</mml:mi></mml:msubsup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>j</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:msub></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo rspace="4.2pt" stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>d</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula></p><p>Here <inline-formula><mml:math id="inf61"><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>j</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:msub></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mtext>on</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:msub></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>E</mml:mtext></mml:msub></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mtext>off</mml:mtext><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:msubsup><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:msub></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the net local binding flux of substrate ‘S’, and <inline-formula><mml:math id="inf62"><mml:mrow><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the local chemical potential (see Appendix 2.1 for details). For substrates with an exponentially decaying profile considered here, the chemical potential is given by<disp-formula id="equ9"><label>(9)</label><mml:math id="m9"><mml:mtable columnspacing="5pt" displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd columnalign="right"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mtext>B</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>ln</mml:mi><mml:mo>⁡</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:msub></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:msub></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mtext>B</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mfrac><mml:mi>x</mml:mi><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:msub></mml:msub></mml:mfrac></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd/></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>where <inline-formula><mml:math id="inf63"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mtext>B</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the thermal energy scale. Notably, the chemical potential difference across the compartment, which serves as an effective driving force for the scheme, is set by the inverse of the nondimensionalized substrate localization length scale, namely,<disp-formula id="equ10"><label>(10)</label><mml:math id="m10"><mml:mtable columnspacing="5pt" displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd columnalign="right"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>β</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>μ</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mi>L</mml:mi><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:msub></mml:msub></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd/></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>where <inline-formula><mml:math id="inf64"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>β</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mtext>B</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. This driving force is zero for a uniform substrate profile (<inline-formula><mml:math id="inf65"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:msub></mml:msub><mml:mo>→</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>) and increases with tighter localization (lower <inline-formula><mml:math id="inf66"><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:msub></mml:msub></mml:math></inline-formula>), as intuitively expected.</p><p>We used <xref ref-type="disp-formula" rid="equ8">Equation 8</xref> to study the relationship between dissipation and fidelity enhancement as we tuned <inline-formula><mml:math id="inf67"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>μ</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> for different choices of the diffusion time scale <inline-formula><mml:math id="inf68"><mml:msub><mml:mi>τ</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula>. As can be seen in <xref ref-type="fig" rid="fig4">Figure 4</xref>, power rises with increasing fidelity, diverging when fidelity reaches its asymptotic maximum given by <xref ref-type="disp-formula" rid="equ5">Equation 5</xref> in the large <inline-formula><mml:math id="inf69"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>μ</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> limit. For the bulk of each curve, power scales as the logarithm of fidelity, suggesting that a linear increase in dissipation can yield an exponential reduction in error. Notably, such a scaling relationship has also been calculated in the context of <italic>E. coli</italic> chemoreceptor adaptation (<xref ref-type="bibr" rid="bib27">Lan et al., 2012</xref>). In particular, it was shown that the adaptation error decreases exponentially with energy dissipated through multiple methylation–demethylation cycles which are used to stabilize the activity state of the receptor. Analogies in the cost-performance trade-off across these functionally distinct mechanisms contribute to the search for overarching thermodynamic themes underlying cellular information processing (<xref ref-type="bibr" rid="bib27">Lan et al., 2012</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="bib28">Lan and Tu, 2013</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="bib18">Horowitz et al., 2017</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="bib42">Sartori and Pigolotti, 2015</xref>).</p><fig id="fig4" position="float"><label>Figure 4.</label><caption><title>Power–fidelity relationship when tuning the effective driving force <inline-formula><mml:math id="inf70"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>μ</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> for different choices of the diffusion time scale <inline-formula><mml:math id="inf71"><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>τ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mstyle></mml:math></inline-formula>.</title><p><inline-formula><mml:math id="inf72"><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>J</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">b</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">i</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">n</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">o</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">E</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>∫</mml:mo><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">S</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mspace width="thinmathspace"/><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:mstyle></mml:math></inline-formula> is the integrated rate of substrate binding. The red line indicates the large dissipation limit of fidelity given by <xref ref-type="disp-formula" rid="equ5">Equation 5</xref>. The circles indicate the <inline-formula><mml:math id="inf73"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>μ</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> range specified in <xref ref-type="disp-formula" rid="equ11">Equation 11</xref> for different <inline-formula><mml:math id="inf74"><mml:msub><mml:mi>τ</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> choices. For sufficiently large <inline-formula><mml:math id="inf75"><mml:msub><mml:mi>τ</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> values, the cost per binding event approaches <inline-formula><mml:math id="inf76"><mml:mrow><mml:mi>β</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msqrt><mml:msub><mml:mi>η</mml:mi><mml:mtext>eq</mml:mtext></mml:msub></mml:msqrt></mml:mrow></mml:math></inline-formula> at the end of this range (see Appendix 2.1 for details). In making this plot, <inline-formula><mml:math id="inf77"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>η</mml:mi><mml:mtext>eq</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>10</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> was used.</p></caption><graphic mime-subtype="tiff" mimetype="image" xlink:href="elife-60415-fig4-v2.tif"/></fig><p>The logarithmic scaling is achieved in our model when the driving force is in a range where most of the fidelity enhancement takes place, namely,<disp-formula id="equ11"><label>(11)</label><mml:math id="m11"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>β</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>μ</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>∈</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:msqrt><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>τ</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mtext>off</mml:mtext><mml:mtext>R</mml:mtext></mml:msubsup></mml:mrow></mml:msqrt><mml:mo>,</mml:mo><mml:msqrt><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>τ</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mtext>off</mml:mtext><mml:mtext>W</mml:mtext></mml:msubsup></mml:mrow></mml:msqrt><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p><p>At the end of this range, the cost per substrate binding event approaches <inline-formula><mml:math id="inf78"><mml:msqrt><mml:msub><mml:mi>η</mml:mi><mml:mtext>eq</mml:mtext></mml:msub></mml:msqrt></mml:math></inline-formula> in <inline-formula><mml:math id="inf79"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mtext>B</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> units (see Appendix 2.1 for details). And beyond the range, additional error correction is attained at an increasingly higher cost.</p><p>Note that the power computed here does not include the baseline cost of creating the substrate gradient, which, for instance, would depend on the substrate diffusion constant. We only account for the additional cost to be paid due to the operation of the proofreading scheme which works to homogenize this substrate gradient. The baseline cost in our case is analogous to the work that ATP synthase needs to perform to maintain a nonequilibrium [ATP]/[ADP] ratio in the cell, whereas our calculated power is analogous to the rate of ATP hydrolysis by a traditional proofreading enzyme. We discuss these two classes of dissipation in greater detail in Appendix 2.3.</p><p>Just as the cellular chemical potential of ATP or GTP imposes a thermodynamic upper bound on the fidelity enhancement by any proofreading mechanism (<xref ref-type="bibr" rid="bib38">Qian, 2006</xref>), the effective driving force <inline-formula><mml:math id="inf80"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>μ</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> imposes a similar constraint for the spatial proofreading model. This thermodynamic limit depends only on the available chemical potential and is equal to <inline-formula><mml:math id="inf81"><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>β</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>μ</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula>. This limit can be approached very closely by our model, which for <inline-formula><mml:math id="inf82"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>μ</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>≳</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> achieves the exponential enhancement with an additional linear prefactor, namely, <inline-formula><mml:math id="inf83"><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>η</mml:mi><mml:mtext>eq</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mtext>max</mml:mtext></mml:msup><mml:mo>≈</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>β</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>μ</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi>β</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>μ</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (see Appendix 2.2). Such scaling behavior was theoretically accessible only to infinite-state traditional proofreading schemes (<xref ref-type="bibr" rid="bib38">Qian, 2006</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="bib10">Ehrenberg and Blomberg, 1980</xref>). This offers a view of spatial proofreading as a procession of the enzyme through an infinite series of spatial filters and suggests that, from the perspective of peak error reduction capacity, our model outperforms the finite-state schemes.</p></sec><sec id="s2-4"><title>Proofreading by biochemically plausible intracellular gradients</title><p>Our discussion of the minimal model thus far was not aimed at a particular biochemical system and thus did not involve the use of realistic reaction rates and diffusion constants typically seen in living cells. Furthermore, we did not account for the possibility of substrate diffusion, as well as for the homogenization of substrate concentration gradients due to enzymatic reactions, and have thereby abstracted away the gradient maintaining mechanism. The quantitative inspection of such mechanisms is important for understanding the constraints on spatial proofreading in realistic settings.</p><p>Here, we investigate proofreading based on a widely applicable mechanism for creating gradients by the spatial separation of two opposing enzymes (<xref ref-type="bibr" rid="bib44">Stelling and Kholodenko, 2009</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="bib4">Bivona et al., 2003</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="bib5">Brown and Kholodenko, 1999</xref>). Consider a protein <inline-formula><mml:math id="inf84"><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow></mml:mstyle></mml:math></inline-formula> that in its free state is phosphorylated by a membrane-bound kinase and dephosphorylated by a delocalized cytoplasmic phosphatase, as shown in <xref ref-type="fig" rid="fig5">Figure 5a</xref>. This setup will naturally create a gradient of the active form of protein (<inline-formula><mml:math id="inf85"><mml:msup><mml:mi>S</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula>), with the gradient length scale controlled by the rate of phosphatase activity <inline-formula><mml:math id="inf86"><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mtext>p</mml:mtext></mml:msub></mml:math></inline-formula> (<inline-formula><mml:math id="inf87"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>S</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mo>→</mml:mo><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mtext>p</mml:mtext></mml:msub></mml:mover><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>). Such mechanisms are known to create gradients of the active forms of MEK and ERK (<xref ref-type="bibr" rid="bib24">Kholodenko, 2006</xref>), of GTPases such as Ran (with GEF and GAP [<xref ref-type="bibr" rid="bib21">Kalab et al., 2002</xref>] playing the role of kinase and phosphatase, respectively), of cAMP (<xref ref-type="bibr" rid="bib24">Kholodenko, 2006</xref>) and of stathmin oncoprotein 18 (Op18) (<xref ref-type="bibr" rid="bib2">Bastiaens et al., 2006</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="bib35">Niethammer et al., 2004</xref>) near the plasma membrane, the Golgi apparatus, the ER, kinetochores and other places.</p><fig id="fig5" position="float"><label>Figure 5.</label><caption><title>Proofreading based on substrate gradients formed by spatially separated kinases and phosphatases.</title><p>(<bold>a</bold>) The active form <inline-formula><mml:math id="inf88"><mml:msup><mml:mi>S</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula> of many proteins exhibits gradients because kinases that phosphorylate <inline-formula><mml:math id="inf89"><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow></mml:mstyle></mml:math></inline-formula> are anchored to a membrane while phosphatases can diffuse in the cytoplasm (<xref ref-type="bibr" rid="bib24">Kholodenko, 2006</xref>). An enzyme can exploit the resulting spatial gradient for proofreading. (<bold>b</bold>) At low enzyme activity (i.e. low <inline-formula><mml:math id="inf90"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mtext>on</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>E</mml:mtext></mml:msub></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>), the gradient of <inline-formula><mml:math id="inf91"><mml:msup><mml:mi>S</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula> is successfully maintained, allowing for proofreading. The upper dashed line corresponds to the peak fidelity when the substrate profile is exponential. At high enzyme activity (large <inline-formula><mml:math id="inf92"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mtext>on</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>E</mml:mtext></mml:msub></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>), the dephosphorylation with rate <inline-formula><mml:math id="inf93"><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>p</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>5</mml:mn></mml:mrow></mml:mstyle></mml:math></inline-formula> s<sup>-1</sup> is no longer sufficient to maintain the gradient and proofreading is lost. (<bold>c</bold>) Profiles of right substrates for different choices of enzyme activity. Numbers indicate <inline-formula><mml:math id="inf94"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mtext>on</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>E</mml:mtext></mml:msub></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in s<sup>-1</sup> units. The black line shows an exponential substrate profile with a length scale <inline-formula><mml:math id="inf95"><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msqrt><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>p</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:msqrt><mml:mo>∼</mml:mo><mml:mn>0.5</mml:mn><mml:mspace width="thinmathspace"/></mml:mrow></mml:mstyle></mml:math></inline-formula> μm.</p></caption><graphic mime-subtype="tiff" mimetype="image" xlink:href="elife-60415-fig5-v2.tif"/></fig><p>We test the proofreading power of such gradients, assuming experimentally constrained biophysical parameters for the gradient forming mechanism. Specifically, we consider an enzyme <inline-formula><mml:math id="inf96"><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mrow><mml:mi>E</mml:mi></mml:mrow></mml:mstyle></mml:math></inline-formula> that acts on the active forms of cognate (<inline-formula><mml:math id="inf97"><mml:msup><mml:mi>R</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula>) and non-cognate (<inline-formula><mml:math id="inf98"><mml:msup><mml:mi>W</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula>) substrates which have off-rates 0.1 s<sup>-1</sup> and 1 s<sup>-1</sup>, respectively (hence, <inline-formula><mml:math id="inf99"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>η</mml:mi><mml:mtext>eq</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>10</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>). These off-rates are consistent with typical values for substrates proofread by cellular signaling systems (<xref ref-type="bibr" rid="bib8">Cui and Mehta, 2018</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="bib13">Gascoigne et al., 2001</xref>). The kinases and phosphatases in our setup act identically on right and wrong substrates. We consider a dephosphorylation rate constant <inline-formula><mml:math id="inf100"><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>p</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>5</mml:mn></mml:mrow></mml:mstyle></mml:math></inline-formula> s<sup>-1</sup> that falls in the range 0.1−100 s<sup>-1</sup> reported for different phosphatases (<xref ref-type="bibr" rid="bib5">Brown and Kholodenko, 1999</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="bib22">Kholodenko et al., 2000</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="bib48">Todd et al., 1999</xref>), and a cytosolic diffusion constant <inline-formula><mml:math id="inf101"><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mspace width="thinmathspace"/></mml:mrow></mml:mstyle></mml:math></inline-formula> μm<sup>2</sup>/s for all proteins in this model. With this setup, exponential gradients of length scale ∼0.5 μm are formed for <inline-formula><mml:math id="inf102"><mml:msup><mml:mi>R</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="inf103"><mml:msup><mml:mi>W</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula>. We evaluate the proofreading and energetic performance of the model in a compartment of size <inline-formula><mml:math id="inf104"><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>10</mml:mn></mml:mrow></mml:mstyle></mml:math></inline-formula> μm – a typical length scale in eukaryotic cells (see Appendix 6 for details).</p><p>Although not cost-efficient, this setup achieves proofreading in a wide range of regimes. Specifically, it is most effective when the enzyme–substrate binding is slow, in which case the exponential substrate profile is maintained and the system attains the fidelity predicted by our earlier explanatory model (<xref ref-type="fig" rid="fig5">Figure 5b</xref>). The system’s proofreading capacity is retained if the first–order on-rate is raised up to <inline-formula><mml:math id="inf105"><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>on</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>E</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>∼</mml:mo><mml:mn>10</mml:mn></mml:mrow></mml:mstyle></mml:math></inline-formula> s<sup>-1</sup>, where around 10-fold increase in fidelity is still possible. If the binding rate constant (<inline-formula><mml:math id="inf106"><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mtext>on</mml:mtext></mml:msub></mml:math></inline-formula>) or the enzyme’s expression level (<inline-formula><mml:math id="inf107"><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>E</mml:mtext></mml:msub></mml:msub></mml:math></inline-formula>) is any higher, then enzymatic reactions overwhelm the ability of the kinase/phosphatase system to keep the active forms of substrates sufficiently localized (<xref ref-type="fig" rid="fig5">Figure 5c</xref>) and proofreading is lost. Overall, this model suggests that enzymes can work at reasonable binding rates and still proofread, when accounting for an experimentally characterized gradient maintaining mechanism.</p></sec></sec><sec id="s3" sec-type="discussion"><title>Discussion</title><p>We have outlined a way for enzymatic reactions to proofread and improve specificity by exploiting spatial concentration gradients of substrates. Like the classic model, our proposed spatial proofreading scheme is based on a time delay; but unlike the classic model, here the delay is due to spatial transport rather than transitions through biochemical intermediates. Consequently, the enzyme is liberated from the stringent structural requirements imposed by traditional proofreading, such as multiple intermediate conformations and hydrolysis sites for energy coupling. Instead, our scheme exploits the free energy supplied by active mechanisms that maintain spatial structures.</p><p>The decoupling of the two crucial features of proofreading – time delay and free energy dissipation – allows the cell to tune proofreading on the fly. For instance, all proofreading schemes offer fidelity at the expense of reaction speed and energy. For traditional schemes, navigating this trade-off is not always feasible, as it needs to involve structural changes via mutations or modulation of the [ATP]/[ADP] ratio which can cause collateral effects on the rest of the cell. In contrast, the spatial proofreading scheme is more adaptable to the changing conditions and needs of the cell. The scheme can prioritize speed in one context, and fidelity in another, simply by tuning the length scale of intracellular gradients (e.g. through the regulation of the phosphotase or free enzyme concentration in the scheme discussed earlier).</p><p>On the other hand, this modular decoupling can complicate the experimental identification of proofreading enzymes and the interpretation of their fidelity. Here, the enzymes need not be endowed with the structural and biochemical properties typically sought for in a proofreading enzyme. At the same time, any attempt to reconstitute enzymatic activity in a well-mixed, in vitro assay, will show poor fidelity compared to in vivo measurements, even when all necessary molecular players are present in vitro. Therefore, more care is required in studies of cellular information processing mechanisms that hijack a distant source of free energy compared to the case where the relevant energy consumption is local and easier to link causally to function.</p><p>While we focused on spatially localized substrates and delocalized enzymes, our framework would apply equally well to other scenarios, like one with a spatially localized enzyme (or its active form [<xref ref-type="bibr" rid="bib21">Kalab et al., 2002</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="bib34">Nalbant et al., 2004</xref>]) and effector with delocalized substrates, an example of which would be an alternative version of the scheme in <xref ref-type="fig" rid="fig5">Figure 5a</xref> where the target of the kinase/phosphatase activity is changed from substrates to enzymes. Our framework can also be extended to signaling cascades, where slightly different phosphatase activities can result in magnified concentration ratios of two competing signaling molecules at the spatial location of the next cascade step (<xref ref-type="bibr" rid="bib41">Roy and Cyert, 2009</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="bib3">Bauman and Scott, 2002</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="bib24">Kholodenko, 2006</xref>).</p><p>The spatial gradients needed for the operation of our model can be created and maintained through multiple mechanisms in the cell, ranging from the kinase/phosphatase system modeled here, to the passive diffusion of substrates/ligands combined with active degradation (e.g. Bicoid and other developmental morphogens), to active transport processes combined with diffusion. A particularly simple implementation of our scheme is via compartmentalization – substrates and effectors are localized in two spatially separated compartments with the enzyme–substrate complex having to travel from one to another to complete the reaction.</p><p>Many molecular localization pathways involving the naturally compartmentalized parts of the cell require high substrate selectivity and are therefore potential candidates for the implementation of spatial proofreading. For example, in polarized, asymmetric cells (e.g. budding yeast or neuronal cells) gene expression often needs to be spatially regulated (<xref ref-type="bibr" rid="bib37">Parton et al., 2014</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="bib30">Martin and Ephrussi, 2009</xref>). Such regulation is achieved with designated ribonucleoproteins that bind specific mRNAs near the cell nucleus, perform a biased random walk to the mRNA localization site and deliver them for translation. During transport, mRNAs are protected from ribosome binding and when they unbind, they are subject to degradation which would prevent rebinding events at intermediate locations. Another example process is the non-vesicular transport of lipids between the membrane–bound domains of the cells (e.g. the ER, mitochondria, the Golgi apparatus, or the plasma membrane). This transport mechanism is mediated by lipid-transfer proteins that bind lipids on the donor membrane, diffuse to the acceptor membrane and upon interacting with it, undergo a conformational change, delivering the ‘cargo’ (<xref ref-type="bibr" rid="bib29">Lev, 2010</xref>). Although the higher proximity of the two membranes is thought to enhance the transport efficiency, it would be interesting to study the optimality of the inter-membrane distance in the context of fidelity–transport efficiency trade-off, given the fact that some of the lipid-transfer proteins are known to exhibit specificity for their cognate substrates.</p><p>Our scheme may also be applicable as a quality control mechanism in protein secretion pathways (<xref ref-type="bibr" rid="bib11">Ellgaard and Helenius, 2003</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="bib1">Arvan et al., 2002</xref>), in high-fidelity targeting of membrane proteins mediated by signal recognition particles (<xref ref-type="bibr" rid="bib39">Rao et al., 2016</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="bib7">Chio et al., 2017</xref>), as well as in selective glycosylation reactions in the Golgi apparatus (<xref ref-type="bibr" rid="bib20">Jaiman and Thattai, 2020</xref>). Lastly, considering the recent advances in generating synthetic morphogen patterns in multicellular organisms (<xref ref-type="bibr" rid="bib47">Toda et al., 2020</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="bib43">Stapornwongkul et al., 2020</xref>), spatial proofreading could also be employed in pathways acting on engineered protein gradients. Experimental investigations of these processes in light of our work will reveal the extent to which spatial transport promotes specificity.</p><p>In conclusion, we have analyzed the role played by spatial structures in endowing enzymatic reactions with kinetic proofreading. Simply by spatially segregating substrate binding from catalysis, enzymes can enhance their specificity. This suggests that enzymatic reactions may acquire <italic>de novo</italic> proofreading capabilities by coupling to pre-existing spatial gradients in the cell.</p></sec><sec id="s4" sec-type="materials|methods"><title>Materials and methods</title><p>Detailed derivations of the analytical results presented in the main text along with additional studies on our model are included in the Appendices. In addition, Python scripts and Jupyter notebooks used to generate all the plots in the main text and Appendices are included as Supplementary files.</p></sec></body><back><ack id="ack"><title>Acknowledgements</title><p>We thank Anatoly Kolomeisky, Shu-ou Shan and Erik Winfree for insightful discussions, Soichi Hirokawa and Avi Flamholz for providing useful feedback on the manuscript. We also thank Alexander Grosberg whose idea of a compartmentalized ‘rotary demon’ motivated the development of our model. This work was supported by the NIH Grant 1R35 GM118043-01, the John Templeton Foundation Grants 51250 and 60973 (to RP), a James S. McDonnell Foundation postdoctoral fellowship (to KH), and the Simons Foundation (AM).</p></ack><sec id="s5" sec-type="additional-information"><title>Additional information</title><fn-group content-type="competing-interest"><title>Competing interests</title><fn fn-type="COI-statement" id="conf1"><p>No competing interests declared</p></fn></fn-group><fn-group content-type="author-contribution"><title>Author contributions</title><fn fn-type="con" id="con1"><p>Conceptualization, Formal analysis, Investigation, Methodology, Writing - original draft, Writing - review and editing</p></fn><fn fn-type="con" id="con2"><p>Conceptualization, Formal analysis, Investigation, Methodology, Writing - original draft, Writing - review and editing</p></fn><fn fn-type="con" id="con3"><p>Conceptualization, Formal analysis, Investigation, Methodology, Writing - review and editing</p></fn><fn fn-type="con" id="con4"><p>Conceptualization, Supervision, Funding acquisition, Investigation, Methodology, Writing - original draft, Project administration, Writing - review and editing</p></fn><fn fn-type="con" id="con5"><p>Conceptualization, Supervision, Funding acquisition, Investigation, Methodology, Writing - original draft, Project administration, Writing - review and editing</p></fn></fn-group></sec><sec id="s6" sec-type="supplementary-material"><title>Additional files</title><supplementary-material id="scode1"><label>Source code 1.</label><caption><title>Code files to reproduce the figures.</title></caption><media mime-subtype="zip" mimetype="application" xlink:href="elife-60415-code1-v2.zip"/></supplementary-material></sec><sec id="s7" sec-type="data-availability"><title>Data availability</title><p>All scripts used to generate the data for making the plots are provided in supporting files.</p></sec><ref-list><title>References</title><ref id="bib1"><element-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Arvan</surname> <given-names>P</given-names></name><name><surname>Zhao</surname> <given-names>X</given-names></name><name><surname>Ramos-Castaneda</surname> <given-names>J</given-names></name><name><surname>Chang</surname> <given-names>A</given-names></name></person-group><year iso-8601-date="2002">2002</year><article-title>Secretory pathway quality control operating in Golgi, plasmalemmal, and endosomal systems</article-title><source>Traffic</source><volume>3</volume><fpage>771</fpage><lpage>780</lpage><pub-id pub-id-type="doi">10.1034/j.1600-0854.2002.31102.x</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">12383343</pub-id></element-citation></ref><ref id="bib2"><element-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Bastiaens</surname> <given-names>P</given-names></name><name><surname>Caudron</surname> <given-names>M</given-names></name><name><surname>Niethammer</surname> <given-names>P</given-names></name><name><surname>Karsenti</surname> <given-names>E</given-names></name></person-group><year iso-8601-date="2006">2006</year><article-title>Gradients in the self-organization of the mitotic spindle</article-title><source>Trends in Cell Biology</source><volume>16</volume><fpage>125</fpage><lpage>134</lpage><pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.tcb.2006.01.005</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">16478663</pub-id></element-citation></ref><ref id="bib3"><element-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Bauman</surname> <given-names>AL</given-names></name><name><surname>Scott</surname> <given-names>JD</given-names></name></person-group><year iso-8601-date="2002">2002</year><article-title>Kinase- and phosphatase-anchoring proteins: harnessing the dynamic duo</article-title><source>Nature Cell Biology</source><volume>4</volume><fpage>E203</fpage><lpage>E206</lpage><pub-id pub-id-type="doi">10.1038/ncb0802-e203</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">12149635</pub-id></element-citation></ref><ref id="bib4"><element-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Bivona</surname> <given-names>TG</given-names></name><name><surname>Pérez De Castro</surname> <given-names>I</given-names></name><name><surname>Ahearn</surname> <given-names>IM</given-names></name><name><surname>Grana</surname> <given-names>TM</given-names></name><name><surname>Chiu</surname> <given-names>VK</given-names></name><name><surname>Lockyer</surname> <given-names>PJ</given-names></name><name><surname>Cullen</surname> <given-names>PJ</given-names></name><name><surname>Pellicer</surname> <given-names>A</given-names></name><name><surname>Cox</surname> <given-names>AD</given-names></name><name><surname>Philips</surname> <given-names>MR</given-names></name></person-group><year iso-8601-date="2003">2003</year><article-title>Phospholipase Cγ activates Ras on the Golgi apparatus by means of RasGRP1</article-title><source>Nature</source><volume>424</volume><fpage>694</fpage><lpage>698</lpage><pub-id pub-id-type="doi">10.1038/nature01806</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">12845332</pub-id></element-citation></ref><ref id="bib5"><element-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Brown</surname> <given-names>GC</given-names></name><name><surname>Kholodenko</surname> <given-names>BN</given-names></name></person-group><year iso-8601-date="1999">1999</year><article-title>Spatial gradients of cellular phospho-proteins</article-title><source>FEBS Letters</source><volume>457</volume><fpage>452</fpage><lpage>454</lpage><pub-id pub-id-type="doi">10.1016/S0014-5793(99)01058-3</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">10471827</pub-id></element-citation></ref><ref id="bib6"><element-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Caudron</surname> <given-names>M</given-names></name><name><surname>Bunt</surname> <given-names>G</given-names></name><name><surname>Bastiaens</surname> <given-names>P</given-names></name><name><surname>Karsenti</surname> <given-names>E</given-names></name></person-group><year iso-8601-date="2005">2005</year><article-title>Spatial coordination of spindle assembly by chromosome-mediated signaling gradients</article-title><source>Science</source><volume>309</volume><fpage>1373</fpage><lpage>1376</lpage><pub-id pub-id-type="doi">10.1126/science.1115964</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">16123300</pub-id></element-citation></ref><ref id="bib7"><element-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Chio</surname> <given-names>US</given-names></name><name><surname>Cho</surname> <given-names>H</given-names></name><name><surname>Shan</surname> <given-names>SO</given-names></name></person-group><year iso-8601-date="2017">2017</year><article-title>Mechanisms of tail-anchored membrane protein targeting and insertion</article-title><source>Annual Review of Cell and Developmental Biology</source><volume>33</volume><fpage>417</fpage><lpage>438</lpage><pub-id pub-id-type="doi">10.1146/annurev-cellbio-100616-060839</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">28992441</pub-id></element-citation></ref><ref id="bib8"><element-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Cui</surname> <given-names>W</given-names></name><name><surname>Mehta</surname> <given-names>P</given-names></name></person-group><year iso-8601-date="2018">2018</year><article-title>Identifying feasible operating regimes for early T-cell recognition: the speed, energy, accuracy trade-off in kinetic proofreading and adaptive sorting</article-title><source>PLOS ONE</source><volume>13</volume><elocation-id>e0202331</elocation-id><pub-id pub-id-type="doi">10.1371/journal.pone.0202331</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">30114236</pub-id></element-citation></ref><ref id="bib9"><element-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Driever</surname> <given-names>W</given-names></name><name><surname>Nüsslein-Volhard</surname> <given-names>C</given-names></name></person-group><year iso-8601-date="1988">1988</year><article-title>A gradient of <italic>bicoid</italic> protein in <italic>Drosophila</italic> embryos</article-title><source>Cell</source><volume>54</volume><fpage>83</fpage><lpage>93</lpage><pub-id pub-id-type="doi">10.1016/0092-8674(88)90182-1</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">3383244</pub-id></element-citation></ref><ref id="bib10"><element-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Ehrenberg</surname> <given-names>M</given-names></name><name><surname>Blomberg</surname> <given-names>C</given-names></name></person-group><year iso-8601-date="1980">1980</year><article-title>Thermodynamic constraints on kinetic proofreading in biosynthetic pathways</article-title><source>Biophysical Journal</source><volume>31</volume><fpage>333</fpage><lpage>358</lpage><pub-id pub-id-type="doi">10.1016/S0006-3495(80)85063-6</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">7260292</pub-id></element-citation></ref><ref id="bib11"><element-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Ellgaard</surname> <given-names>L</given-names></name><name><surname>Helenius</surname> <given-names>A</given-names></name></person-group><year iso-8601-date="2003">2003</year><article-title>Quality control in the endoplasmic reticulum</article-title><source>Nature Reviews Molecular Cell Biology</source><volume>4</volume><fpage>181</fpage><lpage>191</lpage><pub-id pub-id-type="doi">10.1038/nrm1052</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">12612637</pub-id></element-citation></ref><ref id="bib12"><element-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Feric</surname> <given-names>M</given-names></name><name><surname>Brangwynne</surname> <given-names>CP</given-names></name></person-group><year iso-8601-date="2013">2013</year><article-title>A nuclear F-actin scaffold stabilizes ribonucleoprotein droplets against gravity in large cells</article-title><source>Nature Cell Biology</source><volume>15</volume><fpage>1253</fpage><lpage>1259</lpage><pub-id pub-id-type="doi">10.1038/ncb2830</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">23995731</pub-id></element-citation></ref><ref id="bib13"><element-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Gascoigne</surname> <given-names>NRJ</given-names></name><name><surname>Zal</surname> <given-names>T</given-names></name><name><surname>Alam</surname> <given-names>SM</given-names></name></person-group><year iso-8601-date="2001">2001</year><article-title>T-cell receptor binding kinetics in T-cell development and activation</article-title><source>Expert Reviews in Molecular Medicine</source><volume>3</volume><fpage>1</fpage><lpage>17</lpage><pub-id pub-id-type="doi">10.1017/S1462399401002502</pub-id></element-citation></ref><ref id="bib14"><element-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Goldstein</surname> <given-names>B</given-names></name><name><surname>Faeder</surname> <given-names>JR</given-names></name><name><surname>Hlavacek</surname> <given-names>WS</given-names></name></person-group><year iso-8601-date="2004">2004</year><article-title>Mathematical and computational models of immune-receptor signalling</article-title><source>Nature Reviews Immunology</source><volume>4</volume><fpage>445</fpage><lpage>456</lpage><pub-id pub-id-type="doi">10.1038/nri1374</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">15173833</pub-id></element-citation></ref><ref id="bib15"><element-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Hansen</surname> <given-names>CH</given-names></name><name><surname>Yang</surname> <given-names>D</given-names></name><name><surname>Koussa</surname> <given-names>MA</given-names></name><name><surname>Wong</surname> <given-names>WP</given-names></name></person-group><year iso-8601-date="2017">2017</year><article-title>Nanoswitch-linked immunosorbent assay (NLISA) for fast, sensitive, and specific protein detection</article-title><source>PNAS</source><volume>114</volume><fpage>10367</fpage><lpage>10372</lpage><pub-id pub-id-type="doi">10.1073/pnas.1708148114</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">28893984</pub-id></element-citation></ref><ref id="bib16"><element-citation publication-type="book"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Hill</surname> <given-names>TL</given-names></name></person-group><year iso-8601-date="1977">1977</year><source>Free Energy Transduction in Biology: The Steady State Kinetic and Thermodynamic Formalism</source><publisher-name>Academic Press</publisher-name><pub-id pub-id-type="doi">10.1016/B978-0-12-348250-1.X5001-3</pub-id></element-citation></ref><ref id="bib17"><element-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Hopfield</surname> <given-names>JJ</given-names></name></person-group><year iso-8601-date="1974">1974</year><article-title>Kinetic proofreading: a new mechanism for reducing errors in biosynthetic processes requiring high specificity</article-title><source>PNAS</source><volume>71</volume><fpage>4135</fpage><lpage>4139</lpage><pub-id pub-id-type="doi">10.1073/pnas.71.10.4135</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">4530290</pub-id></element-citation></ref><ref id="bib18"><element-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Horowitz</surname> <given-names>JM</given-names></name><name><surname>Zhou</surname> <given-names>K</given-names></name><name><surname>England</surname> <given-names>JL</given-names></name></person-group><year iso-8601-date="2017">2017</year><article-title>Minimum energetic cost to maintain a target nonequilibrium state</article-title><source>Physical Review E</source><volume>95</volume><elocation-id>042102</elocation-id><pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevE.95.042102</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">28505816</pub-id></element-citation></ref><ref id="bib19"><element-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Ieong</surname> <given-names>KW</given-names></name><name><surname>Uzun</surname> <given-names>Ü</given-names></name><name><surname>Selmer</surname> <given-names>M</given-names></name><name><surname>Ehrenberg</surname> <given-names>M</given-names></name></person-group><year iso-8601-date="2016">2016</year><article-title>Two proofreading steps amplify the accuracy of genetic code translation</article-title><source>PNAS</source><volume>113</volume><fpage>13744</fpage><lpage>13749</lpage><pub-id pub-id-type="doi">10.1073/pnas.1610917113</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">27837019</pub-id></element-citation></ref><ref id="bib20"><element-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Jaiman</surname> <given-names>A</given-names></name><name><surname>Thattai</surname> <given-names>M</given-names></name></person-group><year iso-8601-date="2020">2020</year><article-title>Golgi compartments enable controlled biomolecular assembly using promiscuous enzymes</article-title><source>eLife</source><volume>9</volume><elocation-id>e49573</elocation-id><pub-id pub-id-type="doi">10.7554/eLife.49573</pub-id></element-citation></ref><ref id="bib21"><element-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Kalab</surname> <given-names>P</given-names></name><name><surname>Weis</surname> <given-names>K</given-names></name><name><surname>Heald</surname> <given-names>R</given-names></name></person-group><year iso-8601-date="2002">2002</year><article-title>Visualization of a Ran-GTP gradient in interphase and mitotic <italic>Xenopus</italic> egg extracts</article-title><source>Science</source><volume>295</volume><fpage>2452</fpage><lpage>2456</lpage><pub-id pub-id-type="doi">10.1126/science.1068798</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">11923538</pub-id></element-citation></ref><ref id="bib22"><element-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Kholodenko</surname> <given-names>BN</given-names></name><name><surname>Brown</surname> <given-names>GC</given-names></name><name><surname>Hoek</surname> <given-names>JB</given-names></name></person-group><year iso-8601-date="2000">2000</year><article-title>Diffusion control of protein phosphorylation in signal transduction pathways</article-title><source>Biochemical Journal</source><volume>350</volume><fpage>901</fpage><lpage>907</lpage><pub-id pub-id-type="doi">10.1042/bj3500901</pub-id></element-citation></ref><ref id="bib23"><element-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Kholodenko</surname> <given-names>BN</given-names></name></person-group><year iso-8601-date="2003">2003</year><article-title>Four-dimensional organization of protein kinase signaling cascades: the roles of diffusion, endocytosis and molecular motors</article-title><source>Journal of Experimental Biology</source><volume>206</volume><fpage>2073</fpage><lpage>2082</lpage><pub-id pub-id-type="doi">10.1242/jeb.00298</pub-id></element-citation></ref><ref id="bib24"><element-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Kholodenko</surname> <given-names>BN</given-names></name></person-group><year iso-8601-date="2006">2006</year><article-title>Cell-signalling dynamics in time and space</article-title><source>Nature Reviews Molecular Cell Biology</source><volume>7</volume><fpage>165</fpage><lpage>176</lpage><pub-id pub-id-type="doi">10.1038/nrm1838</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">16482094</pub-id></element-citation></ref><ref id="bib25"><element-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Kholodenko</surname> <given-names>BN</given-names></name></person-group><year iso-8601-date="2009">2009</year><article-title>Spatially distributed cell signalling</article-title><source>FEBS Letters</source><volume>583</volume><fpage>4006</fpage><lpage>4012</lpage><pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.febslet.2009.09.045</pub-id></element-citation></ref><ref id="bib26"><element-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Kunkel</surname> <given-names>TA</given-names></name></person-group><year iso-8601-date="2004">2004</year><article-title>DNA replication fidelity</article-title><source>Journal of Biological Chemistry</source><volume>279</volume><fpage>16895</fpage><lpage>16898</lpage><pub-id pub-id-type="doi">10.1074/jbc.R400006200</pub-id></element-citation></ref><ref id="bib27"><element-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Lan</surname> <given-names>G</given-names></name><name><surname>Sartori</surname> <given-names>P</given-names></name><name><surname>Neumann</surname> <given-names>S</given-names></name><name><surname>Sourjik</surname> <given-names>V</given-names></name><name><surname>Tu</surname> <given-names>Y</given-names></name></person-group><year iso-8601-date="2012">2012</year><article-title>The energy-speed-accuracy tradeoff in sensory adaptation</article-title><source>Nature Physics</source><volume>8</volume><fpage>422</fpage><lpage>428</lpage><pub-id pub-id-type="doi">10.1038/nphys2276</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">22737175</pub-id></element-citation></ref><ref id="bib28"><element-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Lan</surname> <given-names>G</given-names></name><name><surname>Tu</surname> <given-names>Y</given-names></name></person-group><year iso-8601-date="2013">2013</year><article-title>The cost of sensitive response and accurate adaptation in networks with an incoherent type-1 feed-forward loop</article-title><source>Journal of the Royal Society Interface</source><volume>10</volume><elocation-id>20130489</elocation-id><pub-id pub-id-type="doi">10.1098/rsif.2013.0489</pub-id></element-citation></ref><ref id="bib29"><element-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Lev</surname> <given-names>S</given-names></name></person-group><year iso-8601-date="2010">2010</year><article-title>Non-vesicular lipid transport by lipid-transfer proteins and beyond</article-title><source>Nature Reviews Molecular Cell Biology</source><volume>11</volume><fpage>739</fpage><lpage>750</lpage><pub-id pub-id-type="doi">10.1038/nrm2971</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">20823909</pub-id></element-citation></ref><ref id="bib30"><element-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Martin</surname> <given-names>KC</given-names></name><name><surname>Ephrussi</surname> <given-names>A</given-names></name></person-group><year iso-8601-date="2009">2009</year><article-title>mRNA localization: gene expression in the spatial dimension</article-title><source>Cell</source><volume>136</volume><fpage>719</fpage><lpage>730</lpage><pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.cell.2009.01.044</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">19239891</pub-id></element-citation></ref><ref id="bib31"><element-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>McKeithan</surname> <given-names>TW</given-names></name></person-group><year iso-8601-date="1995">1995</year><article-title>Kinetic proofreading in T-cell receptor signal transduction</article-title><source>PNAS</source><volume>92</volume><fpage>5042</fpage><lpage>5046</lpage><pub-id pub-id-type="doi">10.1073/pnas.92.11.5042</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">7761445</pub-id></element-citation></ref><ref id="bib32"><element-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Murugan</surname> <given-names>A</given-names></name><name><surname>Huse</surname> <given-names>DA</given-names></name><name><surname>Leibler</surname> <given-names>S</given-names></name></person-group><year iso-8601-date="2012">2012</year><article-title>Speed, dissipation, and error in kinetic proofreading</article-title><source>PNAS</source><volume>109</volume><fpage>12034</fpage><lpage>12039</lpage><pub-id pub-id-type="doi">10.1073/pnas.1119911109</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">22786930</pub-id></element-citation></ref><ref id="bib33"><element-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Murugan</surname> <given-names>A</given-names></name><name><surname>Huse</surname> <given-names>DA</given-names></name><name><surname>Leibler</surname> <given-names>S</given-names></name></person-group><year iso-8601-date="2014">2014</year><article-title>Discriminatory proofreading regimes in nonequilibrium systems</article-title><source>Physical Review X</source><volume>4</volume><elocation-id>021016</elocation-id><pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevX.4.021016</pub-id></element-citation></ref><ref id="bib34"><element-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Nalbant</surname> <given-names>P</given-names></name><name><surname>Hodgson</surname> <given-names>L</given-names></name><name><surname>Kraynov</surname> <given-names>V</given-names></name><name><surname>Toutchkine</surname> <given-names>A</given-names></name><name><surname>Hahn</surname> <given-names>KM</given-names></name></person-group><year iso-8601-date="2004">2004</year><article-title>Activation of endogenous Cdc42 visualized in living cells</article-title><source>Science</source><volume>305</volume><fpage>1615</fpage><lpage>1619</lpage><pub-id pub-id-type="doi">10.1126/science.1100367</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">15361624</pub-id></element-citation></ref><ref id="bib35"><element-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Niethammer</surname> <given-names>P</given-names></name><name><surname>Bastiaens</surname> <given-names>P</given-names></name><name><surname>Karsenti</surname> <given-names>E</given-names></name></person-group><year iso-8601-date="2004">2004</year><article-title>Stathmin-tubulin interaction gradients in motile and mitotic cells</article-title><source>Science</source><volume>303</volume><fpage>1862</fpage><lpage>1866</lpage><pub-id pub-id-type="doi">10.1126/science.1094108</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">15031504</pub-id></element-citation></ref><ref id="bib36"><element-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Ninio</surname> <given-names>J</given-names></name></person-group><year iso-8601-date="1975">1975</year><article-title>Kinetic amplification of enzyme discrimination</article-title><source>Biochimie</source><volume>57</volume><fpage>587</fpage><lpage>595</lpage><pub-id pub-id-type="doi">10.1016/S0300-9084(75)80139-8</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">1182215</pub-id></element-citation></ref><ref id="bib37"><element-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Parton</surname> <given-names>RM</given-names></name><name><surname>Davidson</surname> <given-names>A</given-names></name><name><surname>Davis</surname> <given-names>I</given-names></name><name><surname>Weil</surname> <given-names>TT</given-names></name></person-group><year iso-8601-date="2014">2014</year><article-title>Subcellular mRNA localisation at a glance</article-title><source>Journal of Cell Science</source><volume>127</volume><fpage>2127</fpage><lpage>2133</lpage><pub-id pub-id-type="doi">10.1242/jcs.114272</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">24833669</pub-id></element-citation></ref><ref id="bib38"><element-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Qian</surname> <given-names>H</given-names></name></person-group><year iso-8601-date="2006">2006</year><article-title>Reducing intrinsic biochemical noise in cells and its thermodynamic limit</article-title><source>Journal of Molecular Biology</source><volume>362</volume><fpage>387</fpage><lpage>392</lpage><pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.jmb.2006.07.068</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">16934833</pub-id></element-citation></ref><ref id="bib39"><element-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Rao</surname> <given-names>M</given-names></name><name><surname>Okreglak</surname> <given-names>V</given-names></name><name><surname>Chio</surname> <given-names>US</given-names></name><name><surname>Cho</surname> <given-names>H</given-names></name><name><surname>Walter</surname> <given-names>P</given-names></name><name><surname>Shan</surname> <given-names>SO</given-names></name></person-group><year iso-8601-date="2016">2016</year><article-title>Multiple selection filters ensure accurate tail-anchored membrane protein targeting</article-title><source>eLife</source><volume>5</volume><elocation-id>e21301</elocation-id><pub-id pub-id-type="doi">10.7554/eLife.21301</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">27925580</pub-id></element-citation></ref><ref id="bib40"><element-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Rodnina</surname> <given-names>MV</given-names></name><name><surname>Wintermeyer</surname> <given-names>W</given-names></name></person-group><year iso-8601-date="2001">2001</year><article-title>Fidelity of aminoacyl-tRNA selection on the ribosome: kinetic and structural mechanisms</article-title><source>Annual Review of Biochemistry</source><volume>70</volume><fpage>415</fpage><lpage>435</lpage><pub-id pub-id-type="doi">10.1146/annurev.biochem.70.1.415</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">11395413</pub-id></element-citation></ref><ref id="bib41"><element-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Roy</surname> <given-names>J</given-names></name><name><surname>Cyert</surname> <given-names>MS</given-names></name></person-group><year iso-8601-date="2009">2009</year><article-title>Cracking the phosphatase code: docking interactions determine substrate specificity</article-title><source>Science Signaling</source><volume>2</volume><elocation-id>re9</elocation-id><pub-id pub-id-type="doi">10.1126/scisignal.2100re9</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">19996458</pub-id></element-citation></ref><ref id="bib42"><element-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Sartori</surname> <given-names>P</given-names></name><name><surname>Pigolotti</surname> <given-names>S</given-names></name></person-group><year iso-8601-date="2015">2015</year><article-title>Thermodynamics of error correction</article-title><source>Physical Review X</source><volume>5</volume><elocation-id>041039</elocation-id><pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevX.5.041039</pub-id></element-citation></ref><ref id="bib43"><element-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Stapornwongkul</surname> <given-names>KS</given-names></name><name><surname>de Gennes</surname> <given-names>M</given-names></name><name><surname>Cocconi</surname> <given-names>L</given-names></name><name><surname>Salbreux</surname> <given-names>G</given-names></name><name><surname>Vincent</surname> <given-names>JP</given-names></name></person-group><year iso-8601-date="2020">2020</year><article-title>Patterning and growth control in vivo by an engineered GFP gradient</article-title><source>Science</source><volume>370</volume><fpage>321</fpage><lpage>327</lpage><pub-id pub-id-type="doi">10.1126/science.abb8205</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">33060356</pub-id></element-citation></ref><ref id="bib44"><element-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Stelling</surname> <given-names>J</given-names></name><name><surname>Kholodenko</surname> <given-names>BN</given-names></name></person-group><year iso-8601-date="2009">2009</year><article-title>Signaling cascades as cellular devices for spatial computations</article-title><source>Journal of Mathematical Biology</source><volume>58</volume><fpage>35</fpage><lpage>55</lpage><pub-id pub-id-type="doi">10.1007/s00285-008-0162-6</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">18283462</pub-id></element-citation></ref><ref id="bib45"><element-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Swain</surname> <given-names>PS</given-names></name><name><surname>Siggia</surname> <given-names>ED</given-names></name></person-group><year iso-8601-date="2002">2002</year><article-title>The role of proofreading in signal transduction specificity</article-title><source>Biophysical Journal</source><volume>82</volume><fpage>2928</fpage><lpage>2933</lpage><pub-id pub-id-type="doi">10.1016/S0006-3495(02)75633-6</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">12023215</pub-id></element-citation></ref><ref id="bib46"><element-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Sydow</surname> <given-names>JF</given-names></name><name><surname>Cramer</surname> <given-names>P</given-names></name></person-group><year iso-8601-date="2009">2009</year><article-title>RNA polymerase fidelity and transcriptional proofreading</article-title><source>Current Opinion in Structural Biology</source><volume>19</volume><fpage>732</fpage><lpage>739</lpage><pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.sbi.2009.10.009</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">19914059</pub-id></element-citation></ref><ref id="bib47"><element-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Toda</surname> <given-names>S</given-names></name><name><surname>McKeithan</surname> <given-names>WL</given-names></name><name><surname>Hakkinen</surname> <given-names>TJ</given-names></name><name><surname>Lopez</surname> <given-names>P</given-names></name><name><surname>Klein</surname> <given-names>OD</given-names></name><name><surname>Lim</surname> <given-names>WA</given-names></name></person-group><year iso-8601-date="2020">2020</year><article-title>Engineering synthetic morphogen systems that can program multicellular patterning</article-title><source>Science</source><volume>370</volume><fpage>327</fpage><lpage>331</lpage><pub-id pub-id-type="doi">10.1126/science.abc0033</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">33060357</pub-id></element-citation></ref><ref id="bib48"><element-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Todd</surname> <given-names>JL</given-names></name><name><surname>Tanner</surname> <given-names>KG</given-names></name><name><surname>Denu</surname> <given-names>JM</given-names></name></person-group><year iso-8601-date="1999">1999</year><article-title>Extracellular regulated kinases (ERK) 1 and ERK2 are authentic substrates for the dual-specificity protein-tyrosine phosphatase VHR. A novel role in down-regulating the ERK pathway</article-title><source>The Journal of Biological Chemistry</source><volume>274</volume><fpage>13271</fpage><lpage>13280</lpage><pub-id pub-id-type="doi">10.1074/jbc.274.19.13271</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">10224087</pub-id></element-citation></ref><ref id="bib49"><element-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Wong</surname> <given-names>F</given-names></name><name><surname>Amir</surname> <given-names>A</given-names></name><name><surname>Gunawardena</surname> <given-names>J</given-names></name></person-group><year iso-8601-date="2018">2018</year><article-title>Energy-speed-accuracy relation in complex networks for biological discrimination</article-title><source>Physical Review E</source><volume>98</volume><elocation-id>012420</elocation-id><pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevE.98.012420</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">30110782</pub-id></element-citation></ref><ref id="bib50"><element-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Wu</surname> <given-names>Y</given-names></name><name><surname>Han</surname> <given-names>B</given-names></name><name><surname>Li</surname> <given-names>Y</given-names></name><name><surname>Munro</surname> <given-names>E</given-names></name><name><surname>Odde</surname> <given-names>DJ</given-names></name><name><surname>Griffin</surname> <given-names>EE</given-names></name></person-group><year iso-8601-date="2018">2018</year><article-title>Rapid diffusion-state switching underlies stable cytoplasmic gradients in the <italic>Caenorhabditis elegans</italic> zygote</article-title><source>PNAS</source><volume>115</volume><fpage>E8440</fpage><lpage>E8449</lpage><pub-id pub-id-type="doi">10.1073/pnas.1722162115</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">30042214</pub-id></element-citation></ref><ref id="bib51"><element-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Yamane</surname> <given-names>T</given-names></name><name><surname>Hopfield</surname> <given-names>JJ</given-names></name></person-group><year iso-8601-date="1977">1977</year><article-title>Experimental evidence for kinetic proofreading in the aminoacylation of tRNA by synthetase</article-title><source>PNAS</source><volume>74</volume><fpage>2246</fpage><lpage>2250</lpage><pub-id pub-id-type="doi">10.1073/pnas.74.6.2246</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">329276</pub-id></element-citation></ref><ref id="bib52"><element-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Zhang</surname> <given-names>X-J</given-names></name><name><surname>Qian</surname> <given-names>H</given-names></name><name><surname>Qian</surname> <given-names>M</given-names></name></person-group><year iso-8601-date="2012">2012</year><article-title>Stochastic theory of nonequilibrium steady states and its applications. Part I</article-title><source>Physics Reports</source><volume>510</volume><fpage>1</fpage><lpage>86</lpage><pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.physrep.2011.09.002</pub-id></element-citation></ref></ref-list><app-group><app id="appendix-1"><title>Appendix 1</title><boxed-text><sec id="s8" sec-type="appendix"><title>Analytical calculations of the complex density profile and fidelity</title><p>We begin this section by deriving an analytical expression for the density profile of substrate-bound enzymes (<inline-formula><mml:math id="inf108"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:msub></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula>) in the case where the <inline-formula><mml:math id="inf109"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>≈</mml:mo><mml:mtext>constant</mml:mtext></mml:mrow></mml:math></inline-formula> assumption holds. Based on this result, we then obtain expressions for fidelity in low, high, and intermediate substrate localization regimes. We reserve the studies of speed and fidelity in the general case of a nonuniform free enzyme profile to Appendix 5.</p><sec id="s8-1"><title>1. Derivation of the complex density profile <inline-formula><mml:math id="inf110"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:msub></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula></title><p>The ordinary differential equation (ODE) that defines the steady state profile of substrate-bound enzymes is<disp-formula id="equ12"><label>(S1)</label><mml:math id="m12"><mml:mtable columnspacing="5pt" displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd columnalign="right"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:munder><mml:munder accentunder="true"><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi><mml:mo movablelimits="false">⁢</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo movablelimits="false">⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:msub></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mo movablelimits="false">⁢</mml:mo><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo movablelimits="false">⏟</mml:mo></mml:munder><mml:mtext>diffusion</mml:mtext></mml:munder><mml:mo>-</mml:mo><mml:munder><mml:munder accentunder="true"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mtext>off</mml:mtext><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:msubsup><mml:mo movablelimits="false">⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:msub></mml:msub><mml:mo movablelimits="false">⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo movablelimits="false" stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo movablelimits="false" stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo movablelimits="false">⏟</mml:mo></mml:munder><mml:mtext>unbinding</mml:mtext></mml:munder></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:munder><mml:munder accentunder="true"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mtext>on</mml:mtext></mml:msub><mml:mo movablelimits="false">⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:msub></mml:msub><mml:mo movablelimits="false">⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo movablelimits="false" stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo movablelimits="false" stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo movablelimits="false">⁢</mml:mo><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo movablelimits="false">-</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo movablelimits="false">/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:msub></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mo movablelimits="false">⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>E</mml:mtext></mml:msub></mml:msub><mml:mo movablelimits="false">⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo movablelimits="false" stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo movablelimits="false" stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo movablelimits="false">⏟</mml:mo></mml:munder><mml:mtext>binding</mml:mtext></mml:munder></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd/></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula></p><p>Here, <inline-formula><mml:math id="inf111"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:msub></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the substrate density at the leftmost boundary, whose value can be calculated from the condition that the total number of free substrates is <inline-formula><mml:math id="inf112"><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mtext>total</mml:mtext></mml:msub></mml:math></inline-formula>, namely,<disp-formula id="equ13"><label>(S2)</label><mml:math id="m13"><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mrow><mml:mtable columnalign="left left" columnspacing="1em" rowspacing="4pt"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>total</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mo>∫</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>−</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msup><mml:mspace width="thinmathspace"/><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>−</mml:mo><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>−</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⇒</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:mstyle></mml:math></disp-formula><disp-formula id="equ14"><label>(S3)</label><mml:math id="m14"><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="false" scriptlevel="2"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">S</mml:mi></mml:mrow></mml:mstyle></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">t</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">o</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">t</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">a</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">l</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">S</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>−</mml:mo><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>−</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">S</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mstyle></mml:math></disp-formula></p><p>In the limit of low substrate amounts where the approximation <inline-formula><mml:math id="inf113"><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>E</mml:mtext></mml:msub></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>≈</mml:mo><mml:mtext>constant</mml:mtext></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is valid, <xref ref-type="disp-formula" rid="equ12">Equation S1</xref> represents a linear nonhomogeneous ODE. Hence, its solution can be written as<disp-formula id="equ15"><label>(S4)</label><mml:math id="m15"><mml:mtable columnspacing="5pt" displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd columnalign="right"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:msub></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:msub><mml:mtext>(h)</mml:mtext></mml:msubsup><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:msub><mml:mtext>(p)</mml:mtext></mml:msubsup><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd/></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>where <inline-formula><mml:math id="inf114"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:msub><mml:mtext>(h)</mml:mtext></mml:msubsup><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the general solution to the corresponding homogeneous equation, while <inline-formula><mml:math id="inf115"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:msub><mml:mtext>(p)</mml:mtext></mml:msubsup><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is a particular solution.</p><p>Looking for solutions of the form <inline-formula><mml:math id="inf116"><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi>λ</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> for the homogeneous part, we find<disp-formula id="equ16"><label>(S5)</label><mml:math id="m16"><mml:mtable columnspacing="5pt" displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd columnalign="right"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mi>D</mml:mi><mml:msup><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mfrac><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mtext>off</mml:mtext><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi>λ</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd/></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula></p><p>The two possible roots for <inline-formula><mml:math id="inf117"><mml:mi>λ</mml:mi></mml:math></inline-formula> are <inline-formula><mml:math id="inf118"><mml:mrow><mml:mo>±</mml:mo><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mtext>off</mml:mtext><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:msubsup></mml:mrow></mml:msqrt></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Calling the positive root <inline-formula><mml:math id="inf119"><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:msub></mml:msub></mml:math></inline-formula>, which represents the mean distance traveled by the substrate–bound enzyme before releasing the substrate, we can write the general solution to the homogeneous part of <xref ref-type="disp-formula" rid="equ12">Equation S1</xref> as<disp-formula id="equ17"><label>(S6)</label><mml:math id="m17"><mml:mtable columnspacing="5pt" displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd columnalign="right"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:msub><mml:mtext>(h)</mml:mtext></mml:msubsup><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:msub></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:msub></mml:msub></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd/></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>where <italic>C</italic><sub>1</sub> and <italic>C</italic><sub>2</sub> are constants which will be determined from the boundary conditions.</p><p>Since the nonhomogeneous part of <xref ref-type="disp-formula" rid="equ12">Equation S1</xref> is a scaled exponential, we look for a particular solution of the same functional form, namely, <inline-formula><mml:math id="inf120"><mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:msub><mml:mtext>(p)</mml:mtext></mml:msubsup><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mtext>p</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:msub></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Substituting this form into the ODE, we obtain<disp-formula id="equ18"><label>(S7)</label><mml:math id="m18"><mml:mtable columnspacing="5pt" displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd columnalign="right"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mtext>p</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mi>D</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>λ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:msub><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mfrac><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mtext>off</mml:mtext><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:msub></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mtext>on</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:msub></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:msub></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>E</mml:mtext></mml:msub></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd/></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula></p><p>The constant coefficient <inline-formula><mml:math id="inf121"><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mtext>p</mml:mtext></mml:msub></mml:math></inline-formula> can then be found as<disp-formula id="equ19"><label>(S8)</label><mml:math id="m19"><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mrow><mml:mtable columnalign="right left" columnspacing="1em" rowspacing="4pt"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>p</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mstyle></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>on</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>E</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>off</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>−</mml:mo><mml:mfrac><mml:mi>D</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mfrac></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>on</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>E</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>off</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>−</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>off</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>on</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>E</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>off</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>−</mml:mo><mml:mfrac><mml:msubsup><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo></mml:mstyle></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:mstyle></mml:math></disp-formula>where we have used the equality <inline-formula><mml:math id="inf122"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:msub></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mtext>off</mml:mtext><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:msubsup></mml:mrow></mml:msqrt></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p><p>Now, to find the unknown coefficients <italic>C</italic><sub>1</sub> and <italic>C</italic><sub>2</sub>, we impose the no-flux boundary conditions for the density <inline-formula><mml:math id="inf123"><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="false" scriptlevel="2"><mml:mi mathvariant="normal">E</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">S</mml:mi></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mstyle></mml:math></inline-formula> at the left and right boundaries of the compartment, namely,<disp-formula id="equ20"><label>(S9)</label><mml:math id="m20"><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi/><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">E</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">S</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mrow><mml:mo maxsize="1.2em" minsize="1.2em">|</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>−</mml:mo><mml:mfrac><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi/><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">E</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">S</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mfrac><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi/><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">E</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">S</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mfrac><mml:mo>−</mml:mo><mml:mfrac><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">p</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi/><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">S</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mfrac><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mstyle></mml:math></disp-formula><disp-formula id="equ21"><label>(S10)</label><mml:math id="m21"><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi/><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">E</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">S</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mrow><mml:mo maxsize="1.2em" minsize="1.2em">|</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>−</mml:mo><mml:mfrac><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi/><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">E</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">S</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mfrac><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>−</mml:mo><mml:mfrac><mml:mi>L</mml:mi><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi/><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">E</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">S</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mfrac></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi/><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">E</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">S</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mfrac><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mi>L</mml:mi><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi/><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">E</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">S</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mfrac></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>−</mml:mo><mml:mfrac><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">p</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi/><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">S</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mfrac><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>−</mml:mo><mml:mfrac><mml:mi>L</mml:mi><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi/><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">S</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mfrac></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0.</mml:mn></mml:mrow></mml:mstyle></mml:math></disp-formula></p><p>Note that we did not take into account the product formation flux at the rightmost boundary when writing <xref ref-type="disp-formula" rid="equ21">Equation S10</xref> in order to simplify our calculations. This is justified in the limit of slow catalysis – an assumption that we make in our treatment. The above system of two equations can then be solved for <italic>C</italic><sub>1</sub> and <italic>C</italic><sub>2</sub>, yielding<disp-formula id="equ22"><label>(S11)</label><mml:math id="m22"><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>−</mml:mo><mml:mfrac><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="false" scriptlevel="2"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">E</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">S</mml:mi></mml:mrow></mml:mstyle></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="false" scriptlevel="2"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">S</mml:mi></mml:mrow></mml:mstyle></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">E</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">S</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>−</mml:mo><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>−</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">S</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>sinh</mml:mi><mml:mo>⁡</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="false" scriptlevel="2"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">E</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">S</mml:mi></mml:mrow></mml:mstyle></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>p</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mstyle></mml:math></disp-formula><disp-formula id="equ23"><label>(S12)</label><mml:math id="m23"><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="false" scriptlevel="2"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">E</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">S</mml:mi></mml:mrow></mml:mstyle></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="false" scriptlevel="2"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">S</mml:mi></mml:mrow></mml:mstyle></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>−</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="false" scriptlevel="2"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">S</mml:mi></mml:mrow></mml:mstyle></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>−</mml:mo><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>−</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="false" scriptlevel="2"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">E</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">S</mml:mi></mml:mrow></mml:mstyle></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>sinh</mml:mi><mml:mo>⁡</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="false" scriptlevel="2"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">E</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">S</mml:mi></mml:mrow></mml:mstyle></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>p</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mstyle></mml:math></disp-formula></p><p>With the constant coefficients known, we obtain the general solution for the complex profile as<disp-formula id="equ24"><label>(S13)</label><mml:math id="m24"><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mrow><mml:mtable columnalign="left left" columnspacing="1em" rowspacing="4pt"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mstyle></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>−</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>p</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>−</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msup></mml:mstyle></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>p</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>sinh</mml:mi><mml:mo>⁡</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>−</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>−</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>−</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>−</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>−</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>−</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mstyle></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>on</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>E</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>off</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>−</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>sinh</mml:mi><mml:mo>⁡</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>−</mml:mo><mml:mi>cosh</mml:mi><mml:mo>⁡</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>−</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mfrac><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>cosh</mml:mi><mml:mo>⁡</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mfrac><mml:mi>x</mml:mi><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mfrac><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>−</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>−</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mstyle></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>on</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>E</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>off</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>−</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>sinh</mml:mi><mml:mo>⁡</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>−</mml:mo><mml:mi>cosh</mml:mi><mml:mo>⁡</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>−</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mfrac><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>cosh</mml:mi><mml:mo>⁡</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mfrac><mml:mi>x</mml:mi><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mfrac><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>−</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>−</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mstyle></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:mstyle></mml:math></disp-formula></p></sec><sec id="s8-2"><title>2. Density profile in low and high substrate localization regimes</title><p>If substrate localization is very poor (<inline-formula><mml:math id="inf124"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:msub></mml:msub><mml:mo>≫</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>), the substrate distribution will be uniform (<inline-formula><mml:math id="inf125"><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:msub></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:msub></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mtext>total</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula>), resulting in a similarly flat profile of enzyme–substrate complexes with their density <inline-formula><mml:math id="inf126"><mml:msubsup><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:msubsup></mml:math></inline-formula> given by<disp-formula id="equ25"><label>(S14)</label><mml:math id="m25"><mml:mtable columnspacing="5pt" displaystyle="true" rowspacing="0pt"><mml:mtr><mml:mtd columnalign="right"><mml:msubsup><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:msubsup></mml:mtd><mml:mtd columnalign="left"><mml:mrow><mml:mi/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mtext>on</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:msub></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>E</mml:mtext></mml:msub></mml:msub></mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mtext>off</mml:mtext><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:msubsup></mml:mfrac></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi/></mml:mtd><mml:mtd columnalign="left"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mtext>on</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:msub></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>E</mml:mtext></mml:msub></mml:msub></mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mtext>off</mml:mtext><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:msubsup></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula></p><p>This is the expected equilibrium result where the complex concentration is inversely proportional to the dissociation constant (<inline-formula><mml:math id="inf127"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mtext>off</mml:mtext><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:msubsup><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mtext>on</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>).</p><p>In the opposite limit where the substrates are highly localized (<inline-formula><mml:math id="inf128"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:msub></mml:msub><mml:mo>≪</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:msub></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="inf129"><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:msub></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>≈</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mtext>total</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:msub></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> from <xref ref-type="disp-formula" rid="equ14">Equation S3</xref>), the complex density profile simplifies into<disp-formula id="equ26"><label>(S15)</label><mml:math id="m26"><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mrow><mml:mtable columnalign="right left" columnspacing="1em" rowspacing="4pt"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mstyle></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mo>≈</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>on</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>total</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>E</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>off</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mo>−</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>−</mml:mo><mml:mfrac><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>sinh</mml:mi><mml:mo>⁡</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mi>cosh</mml:mi><mml:mo>⁡</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>−</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mfrac><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mstyle></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>on</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>total</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>E</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>off</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>sinh</mml:mi><mml:mo>⁡</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mi>cosh</mml:mi><mml:mo>⁡</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>−</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mfrac><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mstyle></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>×</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>sinh</mml:mi><mml:mo>⁡</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mi>cosh</mml:mi><mml:mo>⁡</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>−</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mfrac><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mstyle></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:mstyle></mml:math></disp-formula></p><p>The <italic>x</italic>-dependence through the <inline-formula><mml:math id="inf130"><mml:mrow><mml:mi>cosh</mml:mi><mml:mo>⁡</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> function suggests that the complex density is the highest at the leftmost boundary and lowest at the rightmost boundary, with the degree of complex localization dictated by the length scale parameter <inline-formula><mml:math id="inf131"><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:msub></mml:msub></mml:math></inline-formula>. Notably, this localization of complexes does not alter their total number, since the average complex density is conserved, that is,<disp-formula id="equ27"><label>(S16)</label><mml:math id="m27"><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mrow><mml:mtable columnalign="right left" columnspacing="1em" rowspacing="4pt"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mo fence="false" stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo fence="false" stretchy="false">⟩</mml:mo></mml:mstyle></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mo>∫</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mspace width="thinmathspace"/><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mstyle></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>×</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>sinh</mml:mi><mml:mo>⁡</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>×</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mi>L</mml:mi></mml:mfrac><mml:msubsup><mml:mo>∫</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mi>cosh</mml:mi><mml:mo>⁡</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>−</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mfrac><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mspace width="thinmathspace"/><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mstyle></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>×</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>sinh</mml:mi><mml:mo>⁡</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>×</mml:mo><mml:mfrac><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>L</mml:mi></mml:mfrac><mml:mi>sinh</mml:mi><mml:mo>⁡</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mstyle></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>.</mml:mo></mml:mstyle></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:mstyle></mml:math></disp-formula></p><p><xref ref-type="disp-formula" rid="equ26">Equation S15</xref> for the complex profile can be alternatively written in terms of the diffusion time scale <inline-formula><mml:math id="inf132"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>τ</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>L</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and the substrate off-rate <inline-formula><mml:math id="inf133"><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mtext>off</mml:mtext><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:msubsup></mml:math></inline-formula>. Noting that <inline-formula><mml:math id="inf134"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:msub></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>L</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mtext>off</mml:mtext><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow></mml:msqrt><mml:mo>=</mml:mo><mml:msqrt><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>τ</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mtext>off</mml:mtext><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:msubsup></mml:mrow></mml:msqrt></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and introducing a dimensionless coordinate <inline-formula><mml:math id="inf135"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">~</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, we find<disp-formula id="equ28"><label>(S17)</label><mml:math id="m28"><mml:mtable columnspacing="5pt" displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd columnalign="right"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:msub></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>×</mml:mo><mml:mfrac><mml:msqrt><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>τ</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mtext>off</mml:mtext><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:msubsup></mml:mrow></mml:msqrt><mml:mrow><mml:mi>sinh</mml:mi><mml:mo>⁡</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msqrt><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>τ</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mtext>off</mml:mtext><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:msubsup></mml:mrow></mml:msqrt><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>cosh</mml:mi><mml:mo>⁡</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msqrt><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>τ</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mtext>off</mml:mtext><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:msubsup></mml:mrow></mml:msqrt><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">~</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd/></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula></p><p>The above equation is what was used for generating the plots in <xref ref-type="fig" rid="fig3">Figure 3b</xref> of the main text for different choices of the diffusion time scale.</p></sec><sec id="s8-3"><title>3. Fidelity in low and high substrate localization regimes</title><p>Let us now evaluate the fidelity of the model in the two limiting regimes discussed earlier. In the poor substrate localization case, which corresponds to an equilibrium setting, the fidelity can be found from <xref ref-type="disp-formula" rid="equ25">Equation S14</xref> as<disp-formula id="equ29"><label>(S18)</label><mml:math id="m29"><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>η</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>eq</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="false" scriptlevel="2"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">E</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">R</mml:mi></mml:mrow></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="false" scriptlevel="2"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">E</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">W</mml:mi></mml:mrow></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>off</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>W</mml:mtext></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>off</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>R</mml:mtext></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mstyle></mml:math></disp-formula>where we have employed the assumption about the right and wrong substrates having identical density profiles. This is the expected result for equilibrium discrimination where no advantage is taken of the system’s spatial structure.</p><p>In the regime with high substrate localization, the enzyme–substrate complexes have a nonuniform spatial distribution. What matters for product formation is the complex density at the rightmost boundary (<inline-formula><mml:math id="inf136"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">~</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>), which we obtain from <xref ref-type="disp-formula" rid="equ28">Equation S17</xref> as<disp-formula id="equ30"><label>(S19)</label><mml:math id="m30"><mml:mtable columnspacing="5pt" displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd columnalign="right"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:msub></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>×</mml:mo><mml:mfrac><mml:msqrt><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>τ</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mtext>off</mml:mtext><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:msubsup></mml:mrow></mml:msqrt><mml:mrow><mml:mi>sinh</mml:mi><mml:mo>⁡</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msqrt><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>τ</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mtext>off</mml:mtext><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:msubsup></mml:mrow></mml:msqrt><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd/></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula></p><p>Substituting the above expression written for right and wrong complexes into the definition of fidelity, we find<disp-formula id="equ31"><label>(S20)</label><mml:math id="m31"><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mrow><mml:mtable columnalign="left left" columnspacing="1em" rowspacing="4pt"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mi>η</mml:mi></mml:mstyle></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ER</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>EW</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>η</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>eq</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>×</mml:mo><mml:msqrt><mml:mfrac><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>off</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>R</mml:mtext></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>off</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>W</mml:mtext></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mfrac></mml:msqrt><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>sinh</mml:mi><mml:mo>⁡</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msqrt><mml:msub><mml:mi>τ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>off</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>W</mml:mtext></mml:mrow></mml:msubsup></mml:msqrt><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>sinh</mml:mi><mml:mo>⁡</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msqrt><mml:msub><mml:mi>τ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>off</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>R</mml:mtext></mml:mrow></mml:msubsup></mml:msqrt><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mo>=</mml:mo><mml:msqrt><mml:msub><mml:mi>η</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>eq</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:msqrt><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>sinh</mml:mi><mml:mo>⁡</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msqrt><mml:msub><mml:mi>τ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>off</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>W</mml:mtext></mml:mrow></mml:msubsup></mml:msqrt><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>sinh</mml:mi><mml:mo>⁡</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msqrt><mml:msub><mml:mi>τ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>off</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>R</mml:mtext></mml:mrow></mml:msubsup></mml:msqrt><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>.</mml:mo></mml:mstyle></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:mstyle></mml:math></disp-formula></p><p>This is the result reported in <xref ref-type="disp-formula" rid="equ5">Equation 5</xref> of the main text. To gain more intuition about it and draw parallels with traditional kinetic proofreading, let us consider the limit of long diffusion time scales where proofreading is the most effective. In this limit, the hyperbolic sine functions above can be approximated as <inline-formula><mml:math id="inf137"><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mrow><mml:mi>sinh</mml:mi><mml:mo>⁡</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msqrt><mml:msub><mml:mi>τ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>off</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:mrow></mml:msubsup></mml:msqrt></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>≈</mml:mo><mml:mn>0.5</mml:mn><mml:mspace width="thinmathspace"/><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:msqrt><mml:msub><mml:mi>τ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>off</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:mrow></mml:msubsup></mml:msqrt></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mstyle></mml:math></inline-formula>, simplifying the fidelity expression into<disp-formula id="equ32"><label>(S21)</label><mml:math id="m32"><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mrow><mml:mtable columnalign="right left" columnspacing="1em" rowspacing="4pt"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mi>η</mml:mi></mml:mstyle></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mo>=</mml:mo><mml:msqrt><mml:msub><mml:mi>η</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>eq</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:msqrt><mml:mfrac><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:msqrt><mml:msub><mml:mi>τ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>off</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>W</mml:mtext></mml:mrow></mml:msubsup></mml:msqrt></mml:mrow></mml:msup><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:msqrt><mml:msub><mml:mi>τ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>off</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>R</mml:mtext></mml:mrow></mml:msubsup></mml:msqrt></mml:mrow></mml:msup></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mo>=</mml:mo><mml:msqrt><mml:msub><mml:mi>η</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>eq</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:msqrt><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:msqrt><mml:msub><mml:mi>τ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>off</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>W</mml:mtext></mml:mrow></mml:msubsup></mml:msqrt><mml:mo>−</mml:mo><mml:msqrt><mml:msub><mml:mi>τ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>off</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>R</mml:mtext></mml:mrow></mml:msubsup></mml:msqrt></mml:mrow></mml:msup></mml:mstyle></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mo>=</mml:mo><mml:msqrt><mml:msub><mml:mi>η</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>eq</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:msqrt><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:msqrt><mml:msub><mml:mi>τ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>off</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>R</mml:mtext></mml:mrow></mml:msubsup></mml:msqrt><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msqrt><mml:msub><mml:mi>η</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>eq</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:msqrt><mml:mo>−</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo></mml:mstyle></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:mstyle></mml:math></disp-formula>where we have used the definition of equilibrium fidelity (<xref ref-type="disp-formula" rid="equ29">Equation S18</xref>). In traditional proofreading, a scheme with <italic>n</italic> proofreading realizations can yield a maximum fidelity of <inline-formula><mml:math id="inf138"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>η</mml:mi><mml:mtext>eq</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>η</mml:mi><mml:mtext>eq</mml:mtext><mml:mi>n</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. The value of <italic>n</italic> for the original Hopfield model, for instance, is 1. It would be informative to also know the effective parameter <italic>n</italic> for the spatial proofreading model. Dividing <xref ref-type="disp-formula" rid="equ32">Equation S21</xref> by <inline-formula><mml:math id="inf139"><mml:msub><mml:mi>η</mml:mi><mml:mtext>eq</mml:mtext></mml:msub></mml:math></inline-formula>, we find<disp-formula id="equ33"><label>(S22)</label><mml:math id="m33"><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mrow><mml:mtable columnalign="right left" columnspacing="1em" rowspacing="4pt"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mi>η</mml:mi><mml:msub><mml:mi>η</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>eq</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mfrac><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:msqrt><mml:msub><mml:mi>η</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>eq</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:msqrt></mml:mfrac><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:msqrt><mml:msub><mml:mi>τ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>off</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>R</mml:mtext></mml:mrow></mml:msubsup></mml:msqrt><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msqrt><mml:msub><mml:mi>η</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>eq</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:msqrt><mml:mo>−</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mstyle></mml:mrow></mml:msup></mml:mstyle></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>η</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>eq</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo></mml:mstyle></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:msqrt><mml:msub><mml:mi>τ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>off</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>R</mml:mtext></mml:mrow></mml:msubsup></mml:msqrt><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msqrt><mml:msub><mml:mi>η</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>eq</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:msqrt><mml:mo>−</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mstyle></mml:mrow></mml:msup></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>η</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>eq</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo></mml:mstyle></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msqrt><mml:msub><mml:mi>τ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>off</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>R</mml:mtext></mml:mrow></mml:msubsup></mml:msqrt><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msqrt><mml:msub><mml:mi>η</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>eq</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:msqrt><mml:mo>−</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>ln</mml:mi><mml:mo>⁡</mml:mo><mml:msub><mml:mi>η</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>eq</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">⇒</mml:mo></mml:mstyle></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msqrt><mml:msub><mml:mi>η</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>eq</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:msqrt><mml:mo>−</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ln</mml:mi><mml:mo>⁡</mml:mo><mml:msub><mml:mi>η</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>eq</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msqrt><mml:msub><mml:mi>τ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>off</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>R</mml:mtext></mml:mrow></mml:msubsup></mml:msqrt><mml:mo>.</mml:mo></mml:mstyle></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:mstyle></mml:math></disp-formula></p><p>This exact result can be simplified into an approximate form when diffusion is slow and <inline-formula><mml:math id="inf140"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>η</mml:mi><mml:mtext>eq</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>≫</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, yielding the expression reported in <xref ref-type="disp-formula" rid="equ7">Equation 7</xref> of the main text, namely,<disp-formula id="equ34"><label>(S23)</label><mml:math id="m34"><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mrow><mml:mtable columnalign="left left" columnspacing="1em" rowspacing="4pt"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>n</mml:mi></mml:mtd><mml:mtd><mml:mo>≈</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msqrt><mml:msub><mml:mi>η</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>eq</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:msqrt><mml:msqrt><mml:msub><mml:mi>τ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>off</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>R</mml:mtext></mml:mrow></mml:msubsup></mml:msqrt></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ln</mml:mi><mml:mo>⁡</mml:mo><mml:msub><mml:mi>η</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>eq</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:msqrt><mml:msub><mml:mi>τ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>off</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>W</mml:mtext></mml:mrow></mml:msubsup></mml:msqrt><mml:mrow><mml:mi>ln</mml:mi><mml:mo>⁡</mml:mo><mml:msub><mml:mi>η</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>eq</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>.</mml:mo></mml:mstyle></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:mstyle></mml:math></disp-formula></p></sec><sec id="s8-4"><title>4. Fidelity in an intermediate substrate localization regime</title><p>The generic expression for complex density at the rightmost boundary (<inline-formula><mml:math id="inf141"><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>) can be written using <xref ref-type="disp-formula" rid="equ24">Equation S13</xref> as<disp-formula id="equ35"><label>(S24)</label><mml:math id="m35"><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>on</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>E</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>off</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>−</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>sinh</mml:mi><mml:mo>⁡</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>cosh</mml:mi><mml:mo>⁡</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mfrac><mml:mi>L</mml:mi><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mfrac><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>−</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>−</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>−</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mstyle></mml:math></disp-formula></p><p>For the system to proofread, substrates need to be sufficiently localized (<inline-formula><mml:math id="inf142"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:msub></mml:msub><mml:mo>&lt;</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>) and diffusion needs to be sufficiently slow (<inline-formula><mml:math id="inf143"><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>τ</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mtext>off</mml:mtext><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> or, <inline-formula><mml:math id="inf144"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:msub></mml:msub><mml:mo>&lt;</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>). Under these conditions, the substrate profile can be approximated using <xref ref-type="disp-formula" rid="equ14">Equation S3</xref> as <inline-formula><mml:math id="inf145"><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:msub></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>≈</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>λ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mtext>total</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:msub></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, while the hyperbolic sine and cosine functions used above can be approximated as <inline-formula><mml:math id="inf146"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>sinh</mml:mi><mml:mo>⁡</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:msub></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>≈</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>cosh</mml:mi><mml:mo>⁡</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:msub></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>≈</mml:mo><mml:mrow><mml:mpadded width="+1.7pt"><mml:mn>0.5</mml:mn></mml:mpadded><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:msub></mml:msub></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. With these approximations, the complex density expression simplifies into<disp-formula id="equ36"><label>(S25)</label><mml:math id="m36"><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mrow><mml:mtable columnalign="right left" columnspacing="1em" rowspacing="4pt"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mstyle></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>on</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>total</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>E</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>off</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>−</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>−</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>−</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>−</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>−</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mstyle></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>on</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>total</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>E</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>off</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>−</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>−</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>−</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>−</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mstyle></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:mstyle></mml:math></disp-formula></p><p>Now, depending on how <inline-formula><mml:math id="inf147"><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:msub></mml:msub></mml:math></inline-formula> compares with <inline-formula><mml:math id="inf148"><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:msub></mml:msub></mml:math></inline-formula>, there can be two qualitatively different regimes for the complex density, namely,<disp-formula id="equ37"><label>(S26)</label><mml:math id="m37"><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>×</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mtable columnspacing="1em" rowspacing="4pt"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mfrac><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>−</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo></mml:mstyle></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">i</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">f</mml:mi></mml:mrow><mml:mspace width="thinmathspace"/><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">S</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>≪</mml:mo><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">E</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">S</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mspace width="thinmathspace"/><mml:mspace width="thinmathspace"/><mml:mspace width="thinmathspace"/><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo maxsize="1.2em" minsize="1.2em">(</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">S</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>≫</mml:mo><mml:mrow><mml:msqrt><mml:msub><mml:mi>τ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">o</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">f</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">f</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">S</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:msqrt></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo maxsize="1.2em" minsize="1.2em">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mi>L</mml:mi><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">S</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mfrac><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>−</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">S</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo></mml:mstyle></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">i</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">f</mml:mi></mml:mrow><mml:mspace width="thinmathspace"/><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">E</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">S</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>≪</mml:mo><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">S</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mspace width="thinmathspace"/><mml:mspace width="thinmathspace"/><mml:mspace width="thinmathspace"/><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo maxsize="1.2em" minsize="1.2em">(</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:msqrt><mml:msub><mml:mi>τ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">o</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">f</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">f</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">S</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:msqrt><mml:mo>≫</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">S</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo maxsize="1.2em" minsize="1.2em">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo fence="true" stretchy="true" symmetric="true"/></mml:mrow></mml:mrow></mml:mstyle></mml:math></disp-formula>where we used the equilibrium complex density <inline-formula><mml:math id="inf149"><mml:msubsup><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:msubsup></mml:math></inline-formula> defined in <xref ref-type="disp-formula" rid="equ25">Equation S14</xref>.</p><p>Notably, the first regime effectively corresponds to the case of ideal substrate localization where complex density is independent of the precise value of <inline-formula><mml:math id="inf150"><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:msub></mml:msub></mml:math></inline-formula>. The dimensionless number <inline-formula><mml:math id="inf151"><mml:msqrt><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>τ</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mtext>off</mml:mtext><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:msubsup></mml:mrow></mml:msqrt></mml:math></inline-formula> sets the scale for the minimum <inline-formula><mml:math id="inf152"><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:msub></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> value beyond which ideal localization can be assumed. Conversely, the second regime corresponds to the case where the distance traveled by a complex before dissociating is so short that the complex profile is dictated by the substrate profile itself. Because of that, the complex density reduction from its equilibrium limit is independent of the precise values of <inline-formula><mml:math id="inf153"><mml:msub><mml:mi>τ</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="inf154"><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mtext>off</mml:mtext><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:msubsup></mml:math></inline-formula>, as long as the condition <inline-formula><mml:math id="inf155"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:msub></mml:msub><mml:mo>≪</mml:mo><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:msub></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is met.</p><p>The scheme yields its highest fidelity when both right and wrong complex densities are in the first regime (ideal localization). When both densities are in the second regime, fidelity is reduced down to its equilibrium value <inline-formula><mml:math id="inf156"><mml:msub><mml:mi>η</mml:mi><mml:mtext>eq</mml:mtext></mml:msub></mml:math></inline-formula> (<xref ref-type="table" rid="app1table1">Appendix 1—table 1</xref>). The transition between these two extremes happens when the density profiles of right and wrong complexes fall under different regimes. Fidelity can be navigated in the transition zone by tuning the substrate gradient length scale <inline-formula><mml:math id="inf157"><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:msub></mml:msub></mml:math></inline-formula>. This is demonstrated in <xref ref-type="fig" rid="app1fig1">Appendix 1—figure 1</xref> for three different choices of <inline-formula><mml:math id="inf158"><mml:msub><mml:mi>η</mml:mi><mml:mtext>eq</mml:mtext></mml:msub></mml:math></inline-formula>. In all three cases, the dimensionless numbers <inline-formula><mml:math id="inf159"><mml:msqrt><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>τ</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mtext>off</mml:mtext><mml:mtext>R</mml:mtext></mml:msubsup></mml:mrow></mml:msqrt></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="inf160"><mml:msqrt><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>τ</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mtext>off</mml:mtext><mml:mtext>W</mml:mtext></mml:msubsup></mml:mrow></mml:msqrt></mml:math></inline-formula> set the approximate range in which the bulk of fidelity enhancement occurs, as stated in the main text.</p><table-wrap id="app1table1" position="float"><label>Appendix 1—table 1.</label><caption><title>Fidelity of the scheme in different regimes of right and wrong complex densities.</title><p>The upper-right cell is empty because the two conditions on <inline-formula><mml:math id="inf161"><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:msub></mml:msub></mml:math></inline-formula> cannot be simultaneously met, since <inline-formula><mml:math id="inf162"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>ER</mml:mtext></mml:msub></mml:msub><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>EW</mml:mtext></mml:msub></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> by construction (follows from <inline-formula><mml:math id="inf163"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mtext>off</mml:mtext><mml:mtext>R</mml:mtext></mml:msubsup><mml:mo>&lt;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mtext>off</mml:mtext><mml:mtext>W</mml:mtext></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>).</p></caption><table frame="hsides" rules="groups"><thead><tr><th/><th><inline-formula><mml:math id="inf164"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:msub></mml:msub><mml:mo>≪</mml:mo><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>ER</mml:mtext></mml:msub></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula></th><th><inline-formula><mml:math id="inf165"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:msub></mml:msub><mml:mo>≫</mml:mo><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>ER</mml:mtext></mml:msub></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula></th></tr></thead><tbody><tr><td><inline-formula><mml:math id="inf166"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:msub></mml:msub><mml:mo>≪</mml:mo><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>EW</mml:mtext></mml:msub></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula></td><td><inline-formula><mml:math id="inf167"><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>EW</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ER</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mfrac><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>EW</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>−</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>−</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ER</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>−</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mstyle></mml:math></inline-formula></td><td>-</td></tr><tr><td><inline-formula><mml:math id="inf168"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:msub></mml:msub><mml:mo>≫</mml:mo><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>EW</mml:mtext></mml:msub></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula></td><td><inline-formula><mml:math id="inf169"><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ER</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mfrac><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>−</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>−</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ER</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>−</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mstyle></mml:math></inline-formula></td><td><inline-formula><mml:math id="inf170"><mml:msub><mml:mi>η</mml:mi><mml:mtext>eq</mml:mtext></mml:msub></mml:math></inline-formula></td></tr></tbody></table></table-wrap><fig id="app1fig1" position="float"><label>Appendix 1—figure 1.</label><caption><title>The effective number of proofreading realizations (<inline-formula><mml:math id="inf171"><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mtext>eff</mml:mtext></mml:msub></mml:math></inline-formula>) as a function of <inline-formula><mml:math id="inf172"><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:msub></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</title><p>The shaded region represents the range of <inline-formula><mml:math id="inf173"><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:msub></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> values set by the key dimensionless numbers <inline-formula><mml:math id="inf174"><mml:msqrt><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>τ</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mtext>off</mml:mtext><mml:mtext>R</mml:mtext></mml:msubsup></mml:mrow></mml:msqrt></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="inf175"><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mrow><mml:msqrt><mml:msub><mml:mi>τ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>off</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>W</mml:mtext></mml:mrow></mml:msubsup></mml:msqrt></mml:mrow></mml:mstyle></mml:math></inline-formula>. <inline-formula><mml:math id="inf176"><mml:msub><mml:mi>τ</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> values chosen for the demonstration were 60, 40, and 20 (in <inline-formula><mml:math id="inf177"><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mtext>off</mml:mtext><mml:mtext>R</mml:mtext></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> units) for the three different choices of <inline-formula><mml:math id="inf178"><mml:msub><mml:mi>η</mml:mi><mml:mtext>eq</mml:mtext></mml:msub></mml:math></inline-formula>, respectively.</p></caption><graphic mime-subtype="tiff" mimetype="image" xlink:href="elife-60415-app1-fig1-v2.tif"/></fig></sec><sec id="s8-5"><title>5. Optimal diffusion time scale for maximum fidelity</title><p><xref ref-type="fig" rid="fig3">Figure 3c</xref> of the main text illustrated the non-monotonic dependence of fidelity on the diffusion time scale <inline-formula><mml:math id="inf179"><mml:msub><mml:mi>τ</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> for different fixed values of <inline-formula><mml:math id="inf180"><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:msub></mml:msub></mml:math></inline-formula>. Here, we further explore this feature by asking what sets the optimal <inline-formula><mml:math id="inf181"><mml:msub><mml:mi>τ</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula>. To gain analytical insights, we focus on the case where the system can proofread, which, as we argued in the previous section, happens when <inline-formula><mml:math id="inf182"><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:msub></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:msub></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>&lt;</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Under this condition, we identified two qualitatively different regimes of complex density reduction (<xref ref-type="disp-formula" rid="equ37">Equation S26</xref>). Namely, we found that for sufficiently fast diffusion the system acted as if the substrates were localized ideally, whereas for sufficiently slow diffusion the complex density reduction was dictated solely by <inline-formula><mml:math id="inf183"><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:msub></mml:msub></mml:math></inline-formula> and did not discriminate between the two substrate kinds. These two limiting behaviors are indeed reflected in <xref ref-type="fig" rid="fig3">Figure 3c</xref> where in the low <inline-formula><mml:math id="inf184"><mml:msub><mml:mi>τ</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> limit (fast diffusion) the family of curves matches the dotted ideal localization curve, while in the high <inline-formula><mml:math id="inf185"><mml:msub><mml:mi>τ</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> limit (slow diffusion) all curves decay to 1, corresponding to the loss of error correction.</p><p>An intuitive approach for identifying the optimal <inline-formula><mml:math id="inf186"><mml:msub><mml:mi>τ</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> is to slow down diffusion up to the point where the density of wrong complexes at <inline-formula><mml:math id="inf187"><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> approaches a plateau and effectively stops decreasing. Going past this threshold would only reduce the density of right complexes at <inline-formula><mml:math id="inf188"><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and thereby, reduce the fidelity. We know from <xref ref-type="disp-formula" rid="equ37">Equation S26</xref> that plateauing for wrong complexes happens when <inline-formula><mml:math id="inf189"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>EW</mml:mtext></mml:msub></mml:msub><mml:mo>≪</mml:mo><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:msub></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (equivalently, <inline-formula><mml:math id="inf190"><mml:mrow><mml:msqrt><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>τ</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mtext>off</mml:mtext><mml:mtext>W</mml:mtext></mml:msubsup></mml:mrow></mml:msqrt><mml:mo>≫</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:msub></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula>). Hence, our first guess for the optimal diffusion time scale <inline-formula><mml:math id="inf191"><mml:msubsup><mml:mi>τ</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msubsup></mml:math></inline-formula> is<disp-formula id="equ38"><mml:math id="m38"><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mrow><mml:mtable columnalign="right left right left right left right left right left right left" columnspacing="0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em" displaystyle="true" rowspacing="3pt"><mml:mlabeledtr><mml:mtd><mml:mtext>(S27)</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow/><mml:msubsup><mml:mi>τ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∗</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>off</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>W</mml:mtext></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mtd><mml:mtd><mml:mi/><mml:mo>∼</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mfrac><mml:mi>L</mml:mi><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mfrac><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">⇒</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd/></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr><mml:mtd><mml:mtext>(S28)</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mi>τ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∗</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>off</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>R</mml:mtext></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mtd><mml:mtd><mml:mi/><mml:mo>∼</mml:mo><mml:mfrac><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>off</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>R</mml:mtext></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>off</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>W</mml:mtext></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mfrac><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mfrac><mml:mi>L</mml:mi><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mfrac><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">⇒</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd/></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr><mml:mtd><mml:mtext>(S29)</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mi>τ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∗</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>τ</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>off</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>R</mml:mtext></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mtd><mml:mtd><mml:mi/><mml:mo>∼</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:msub><mml:mi>η</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>eq</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mfrac><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mfrac><mml:mi>L</mml:mi><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mfrac><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd/></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:mstyle></mml:math></disp-formula></p><p>To test the soundness of this expression, we compared its predictions to the optimal <inline-formula><mml:math id="inf192"><mml:msub><mml:mi>τ</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> values in <xref ref-type="fig" rid="fig3">Figure 3</xref> that were identified numerically for different choices of <inline-formula><mml:math id="inf193"><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:msub></mml:msub></mml:math></inline-formula>. The results of the comparison are shown in <xref ref-type="fig" rid="app1fig2">Appendix 1—figure 2</xref>. As can be seen, for sufficiently high degrees of substrate localization (<inline-formula><mml:math id="inf194"><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:msub></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>), the prediction of <xref ref-type="disp-formula" rid="equ38">Equation S29</xref> provides a good approximation of the true optimum. However, it is apparent that the prediction consistently underestimates the true <inline-formula><mml:math id="inf195"><mml:msubsup><mml:mi>τ</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msubsup></mml:math></inline-formula>, which was expected since plateauing of <inline-formula><mml:math id="inf196"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>EW</mml:mtext></mml:msub></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> happens not under equality but a strict inequality condition (i.e. <inline-formula><mml:math id="inf197"><mml:mrow><mml:msqrt><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>τ</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mtext>off</mml:mtext><mml:mtext>W</mml:mtext></mml:msubsup></mml:mrow></mml:msqrt><mml:mo>≫</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:msub></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula>). Because an exact analytical expression for <inline-formula><mml:math id="inf198"><mml:msubsup><mml:mi>τ</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msubsup></mml:math></inline-formula> is not available, we performed different approximations to the fidelity formula and found an empirical correction term for our earlier estimate given by <inline-formula><mml:math id="inf199"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:msub></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo><mml:msqrt><mml:msub><mml:mi>η</mml:mi><mml:mtext>eq</mml:mtext></mml:msub></mml:msqrt></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. The prediction for <inline-formula><mml:math id="inf200"><mml:msubsup><mml:mi>τ</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msubsup></mml:math></inline-formula> with the correction term is now accurate starting a much lower value of <inline-formula><mml:math id="inf201"><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:msub></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, corresponding to a regime where the system proofreads once (<inline-formula><mml:math id="inf202"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mtext>eff</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>≈</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>). Overall, these analytical results provide good initial guesses for <inline-formula><mml:math id="inf203"><mml:msubsup><mml:mi>τ</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msubsup></mml:math></inline-formula> which should be refined using a numerical approach for a higher accuracy.</p><fig id="app1fig2" position="float"><label>Appendix 1—figure 2.</label><caption><title>Optimal diffusion time scale for different choices of <inline-formula><mml:math id="inf204"><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:msub></mml:msub></mml:math></inline-formula>.</title><p>Blue dots represent the exact values obtained numerically for the data in <xref ref-type="fig" rid="fig3">Figure 3c</xref>. Dashed and solid lines represent the analytical estimates with and without the correction term. Vertical lines correspond to those values of <inline-formula><mml:math id="inf205"><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:msub></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> that yield an integer number of effective proofreading realizations.</p></caption><graphic mime-subtype="tiff" mimetype="image" xlink:href="elife-60415-app1-fig2-v2.tif"/></fig></sec></sec></boxed-text></app><app id="appendix-2"><title>Appendix 2</title><boxed-text><sec id="s9" sec-type="appendix"><title>Energetics of the scheme</title><p>We start this section by deriving an analytical expression for the minimum dissipated power, which was used in making <xref ref-type="fig" rid="fig4">Figure 4</xref> of the main text. Then, we calculate the upper limit on fidelity enhancement available to our model for a finite substrate gradient length scale and compare this limit with the fundamental thermodynamic bound. We end the section by providing an estimate for the baseline cost of setting up gradients and compare this cost with the maintenance cost reported in the main text. Similar to our treatment of Appendix 1, here too our calculations are based on the <inline-formula><mml:math id="inf206"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>E</mml:mtext></mml:msub></mml:msub><mml:mo>≈</mml:mo><mml:mtext>constant</mml:mtext></mml:mrow></mml:math></inline-formula> assumption to allow for intuitive analytical results.</p><sec id="s9-1"><title>1. Derivation of the minimum dissipated power</title><p>As stated in the main text, we calculate the minimum rate of energy dissipation necessary for maintaining the substrate profiles as<disp-formula id="equ39"><label>(S30)</label><mml:math id="m39"><mml:mtable columnspacing="5pt" displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd columnalign="right"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:munder><mml:mo largeop="true" movablelimits="false" symmetric="true">∑</mml:mo><mml:mtext>S=R,W</mml:mtext></mml:munder><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mo largeop="true" symmetric="true">∫</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mi>L</mml:mi></mml:msubsup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>j</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:msub></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>d</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd/></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>where <inline-formula><mml:math id="inf207"><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>j</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:msub></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mtext>on</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:msub></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>E</mml:mtext></mml:msub></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mtext>off</mml:mtext><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:msubsup><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:msub></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the net local substrate binding flux and <inline-formula><mml:math id="inf208"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mtext>B</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>ln</mml:mi><mml:mo>⁡</mml:mo><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:msub></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:msub></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mtext>B</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:msub></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the local chemical potential.</p><p>Our choice for the expression of power at steady state is motivated by that fact that the enzyme transport is passive and therefore, energy needs to be spent only on counteracting the local binding/unbinding events that tend to homogenize the substrate profile. To demonstrate the validity of our proposed expression more formally, we invoke the standard approaches for calculating power (<xref ref-type="bibr" rid="bib16">Hill, 1977</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="bib52">Zhang et al., 2012</xref>). In particular, for a system that is described through discrete states with transition rates <inline-formula><mml:math id="inf209"><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>→</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> between them, the rate of energy dissipation at steady state is given by<disp-formula id="equ40"><label>(S31)</label><mml:math id="m40"><mml:mtable columnspacing="5pt" displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd columnalign="right"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mtext>B</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:munder><mml:mo largeop="true" movablelimits="false" symmetric="true">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>J</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>→</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>J</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>→</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>ln</mml:mi><mml:mo>⁡</mml:mo><mml:mfrac><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>→</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>→</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mfrac></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd/></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>where <inline-formula><mml:math id="inf210"><mml:msub><mml:mi>J</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>→</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> is the flux from state <italic>i</italic> into state <italic>j</italic>. We note here that a similar expression for the rate of total entropy production involves a <inline-formula><mml:math id="inf211"><mml:mrow><mml:mi>ln</mml:mi><mml:mo>⁡</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>J</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>→</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>J</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>→</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> term (statistical forces) instead of the <inline-formula><mml:math id="inf212"><mml:mrow><mml:mi>ln</mml:mi><mml:mo>⁡</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>→</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>→</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> term (deterministic driving forces). At steady state, however, these two expressions are mathematically equivalent (<xref ref-type="bibr" rid="bib52">Zhang et al., 2012</xref>). Our choice for <xref ref-type="disp-formula" rid="equ40">Equation S31</xref> stems from the better physical intuition that it provides in our context.</p><p>So far, the description of our system has been in terms of continuous density functions. To apply <xref ref-type="disp-formula" rid="equ40">Equation S31</xref> for calculating power, we consider the discrete-state representation of enzyme dynamics shown in <xref ref-type="fig" rid="app2fig1">Appendix 2—figure 1</xref>. There, space is discretized into intervals of size <inline-formula><mml:math id="inf213"><mml:mrow><mml:mi>δ</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and diffusion is represented through jumps between neighboring sites with a rate <inline-formula><mml:math id="inf214"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi>δ</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. What keeps the system out of equilibrium is the spatially varying substrate profile <inline-formula><mml:math id="inf215"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:msub></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p><fig id="app2fig1" position="float"><label>Appendix 2—figure 1.</label><caption><title>Discrete-state representation of diffusive transport and substrate binding/unbinding events.</title><p>Transparent clusters of different numbers of substrates illustrate the spatial variation of substrate concentration.</p></caption><graphic mime-subtype="tiff" mimetype="image" xlink:href="elife-60415-app2-fig1-v2.tif"/></fig><p>Because forward and backward diffusive transitions have identical rates, according to <xref ref-type="disp-formula" rid="equ40">Equation S31</xref> they will not contribute to energy dissipation (since <inline-formula><mml:math id="inf216"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ln</mml:mi><mml:mo>⁡</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>). The contribution from the remaining substrate binding/unbinding events can then be written as<disp-formula id="equ41"><label>(S32)</label><mml:math id="m41"><mml:mtable columnspacing="5pt" displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd columnalign="right"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mtext>B</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:munder><mml:mo largeop="true" movablelimits="false" symmetric="true">∑</mml:mo><mml:mtext>S=R,W</mml:mtext></mml:munder><mml:mrow><mml:munder><mml:mo largeop="true" movablelimits="false" symmetric="true">∑</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:munder><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mtext>on</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:msub></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>×</mml:mo><mml:mi>δ</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mtext>E</mml:mtext></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mtext>off</mml:mtext><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:msubsup><mml:mo>×</mml:mo><mml:mi>δ</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>ln</mml:mi><mml:mo>⁡</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mtext>on</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:msub></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mtext>off</mml:mtext><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:msubsup></mml:mfrac></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd/></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>where <inline-formula><mml:math id="inf217"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>δ</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mtext>E</mml:mtext></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>E</mml:mtext></mml:msub></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>δ</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="inf218"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>δ</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:msub></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>δ</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are the numbers of free and substrate–bound enzymes, respectively, in the <inline-formula><mml:math id="inf219"><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>δ</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> interval. In the limit of a large number of discrete spatial intervals, the sum over <italic>i</italic> in <xref ref-type="disp-formula" rid="equ41">Equation S32</xref> can be rewritten as an integral over the coordinate <italic>x</italic>, namely,<disp-formula id="equ42"><label>(S33)</label><mml:math id="m42"><mml:mtable columnspacing="5pt" displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd columnalign="right"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mtext>B</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:munder><mml:mo largeop="true" movablelimits="false" symmetric="true">∑</mml:mo><mml:mtext>S=R,W</mml:mtext></mml:munder><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mo largeop="true" symmetric="true">∫</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:msubsup><mml:mrow><mml:munder><mml:munder accentunder="true"><mml:mrow><mml:mo movablelimits="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mtext>on</mml:mtext></mml:msub><mml:mo movablelimits="false">⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:msub></mml:msub><mml:mo movablelimits="false">⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo movablelimits="false" stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo movablelimits="false" stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo movablelimits="false">⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>E</mml:mtext></mml:msub></mml:msub></mml:mrow><mml:mo movablelimits="false">-</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mtext>off</mml:mtext><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:msubsup><mml:mo movablelimits="false">⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:msub></mml:msub><mml:mo movablelimits="false">⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo movablelimits="false" stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo movablelimits="false" stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo movablelimits="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo movablelimits="false">⏟</mml:mo></mml:munder><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>j</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:msub></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:munder><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>ln</mml:mi><mml:mo>⁡</mml:mo><mml:mrow><mml:mpadded width="+1.7pt"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mtext>on</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:msub></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mtext>off</mml:mtext><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:msubsup></mml:mfrac></mml:mpadded><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd/></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula></p><p>Comparing the form of <xref ref-type="disp-formula" rid="equ42">Equation S33</xref> to that of <xref ref-type="disp-formula" rid="equ39">Equation S30</xref> (with <inline-formula><mml:math id="inf220"><mml:mrow><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> substituted), one can notice a difference in the terms that multiply <inline-formula><mml:math id="inf221"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>j</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:msub></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Specifically, in <xref ref-type="disp-formula" rid="equ39">Equation S30</xref> we have <inline-formula><mml:math id="inf222"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mtext>B</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>ln</mml:mi><mml:mo>⁡</mml:mo><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:msub></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mtext>B</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>ln</mml:mi><mml:mo>⁡</mml:mo><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:msub></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> while the corresponding term in <xref ref-type="disp-formula" rid="equ42">Equation S33</xref> is <inline-formula><mml:math id="inf223"><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mtext>B</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>ln</mml:mi><mml:mo>⁡</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mtext>on</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mtext>off</mml:mtext><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mtext>B</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>ln</mml:mi><mml:mo>⁡</mml:mo><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:msub></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. The difference between them, however, is in the parts that do not depend on <italic>x</italic>, while the spatially varying parts (namely, the <inline-formula><mml:math id="inf224"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mtext>B</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>ln</mml:mi><mml:mo>⁡</mml:mo><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:msub></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> contributions) are identical. Now, since the number of bound complexes is constant at steady state, we have <inline-formula><mml:math id="inf225"><mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mo largeop="true" symmetric="true">∫</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:msubsup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>j</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:msub></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo rspace="4.2pt" stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>d</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. This means that the <italic>x</italic>-independent parts discussed earlier all integrate to zero, making the power estimates by <xref ref-type="disp-formula" rid="equ39">Equation S30</xref> and <xref ref-type="disp-formula" rid="equ42">Equation S33</xref> identical, thereby justifying our proposed expression.</p><p>To estimate power, we substitute the analytical expression for <inline-formula><mml:math id="inf226"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:msub></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> found earlier (<xref ref-type="disp-formula" rid="equ24">Equation S13</xref>) into <inline-formula><mml:math id="inf227"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>j</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:msub></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and performing a somewhat cumbersome integral, obtain<disp-formula id="equ43"><label>(S34)</label><mml:math id="m43"><mml:mtable columnspacing="5pt" displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd columnalign="right"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>β</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>P</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>J</mml:mi><mml:mtext>bind</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:munder><mml:mo largeop="true" movablelimits="false" symmetric="true">∑</mml:mo><mml:mtext>S=R,W</mml:mtext></mml:munder><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>λ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:msub><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>/</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>λ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:msub><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mfrac><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:msub></mml:msub><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:msub></mml:msub></mml:mfrac><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>tanh</mml:mi><mml:mo>⁡</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:msub></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>tanh</mml:mi><mml:mo>⁡</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:msub></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd/></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>where <inline-formula><mml:math id="inf228"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>β</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mtext>B</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and <inline-formula><mml:math id="inf229"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>J</mml:mi><mml:mtext>bind</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mtext>on</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mtext>total</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>E</mml:mtext></mml:msub></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the net binding rate of each substrate. <xref ref-type="fig" rid="fig4">Figure 4</xref> in the main text was made using this expression for power.</p><p>To get additional insights about this result, let us consider the case where substrates are highly localized (<inline-formula><mml:math id="inf230"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:msub></mml:msub><mml:mo>≪</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>) and diffusion is slow (<inline-formula><mml:math id="inf231"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:msub></mml:msub><mml:mo>≪</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>) – conditions needed for effective proofreading. Under these conditions, the hyperbolic tangent terms become 1 and the expression for the power expenditure simplifies into<disp-formula id="equ44"><label>(S35)</label><mml:math id="m44"><mml:mtable columnspacing="5pt" displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd columnalign="right"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>β</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>P</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>J</mml:mi><mml:mtext>bind</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:munder><mml:mo largeop="true" movablelimits="false" symmetric="true">∑</mml:mo><mml:mtext>S=R,W</mml:mtext></mml:munder><mml:mfrac><mml:msubsup><mml:mi>λ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:msub><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:msub></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:msub></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:msub></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd/></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula></p><p>The monotonic increase of power with <inline-formula><mml:math id="inf232"><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:msub></mml:msub></mml:math></inline-formula> suggests that energy is primarily spent on maintaining the concentration gradient of right substrates. This is not surprising, since typically right complexes travel a much greater distance into the low concentration region of the compartment before releasing the bound substrate (i.e. <inline-formula><mml:math id="inf233"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>ER</mml:mtext></mml:msub></mml:msub><mml:mo>≫</mml:mo><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>EW</mml:mtext></mml:msub></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>). Therefore, neglecting the contribution from wrong substrates and considering the range of <inline-formula><mml:math id="inf234"><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:msub></mml:msub></mml:math></inline-formula> values where the bulk of power–fidelity trade-off takes place (<inline-formula><mml:math id="inf235"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>ER</mml:mtext></mml:msub></mml:msub><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:msub></mml:msub><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>EW</mml:mtext></mml:msub></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>), we further simplify the power expression into<disp-formula id="equ45"><label>(S36)</label><mml:math id="m45"><mml:mtable columnspacing="5pt" displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd columnalign="right"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>β</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>P</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>≈</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>J</mml:mi><mml:mtext>bind</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>ER</mml:mtext></mml:msub></mml:msub></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:msub></mml:msub></mml:mfrac><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>J</mml:mi><mml:mtext>bind</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mi>β</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>μ</mml:mi></mml:mrow><mml:msqrt><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>τ</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mtext>off</mml:mtext><mml:mtext>R</mml:mtext></mml:msubsup></mml:mrow></mml:msqrt></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd/></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>where we used the identities <inline-formula><mml:math id="inf236"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>β</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>μ</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:msub></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="inf237"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>ER</mml:mtext></mml:msub></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:msqrt><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>τ</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mtext>off</mml:mtext><mml:mtext>R</mml:mtext></mml:msubsup></mml:mrow></mml:msqrt></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. This simple linear relation suggests that in order to maintain the exponential substrate profile, the minimum energy spent per substrate binding event should be at least <inline-formula><mml:math id="inf238"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>J</mml:mi><mml:mtext>bind</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>≈</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mtext>B</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>ER</mml:mtext></mml:msub></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:msub></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:mrow><mml:mpadded width="+1.7pt"><mml:mn>1</mml:mn></mml:mpadded><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mtext>B</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (since <inline-formula><mml:math id="inf239"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>ER</mml:mtext></mml:msub></mml:msub><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:msub></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>).</p><p>We can also use <xref ref-type="disp-formula" rid="equ45">Equation S36</xref> to estimate the minimum dissipation per substrate binding event at <inline-formula><mml:math id="inf240"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:msub></mml:msub><mml:mo>≈</mml:mo><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>EW</mml:mtext></mml:msub></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> where the logarithmic power–fidelity scaling regime ends (see <xref ref-type="fig" rid="fig4">Figure 4</xref> of the main text). Substituting the value of <inline-formula><mml:math id="inf241"><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:msub></mml:msub></mml:math></inline-formula>, we obtain <inline-formula><mml:math id="inf242"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>β</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>P</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>J</mml:mi><mml:mtext>bind</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>≈</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>ER</mml:mtext></mml:msub></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>EW</mml:mtext></mml:msub></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msqrt><mml:msub><mml:mi>η</mml:mi><mml:mtext>eq</mml:mtext></mml:msub></mml:msqrt></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, which is the result illustrated in <xref ref-type="fig" rid="fig4">Figure 4</xref>.</p></sec><sec id="s9-2"><title>2. Limits on fidelity enhancement</title><p>The error reduction capacity of the spatial proofreading scheme improves with a greater difference in substrate off-rates, as was demonstrated in <xref ref-type="fig" rid="fig2">Figure 2</xref> of the main text. At the same time, <xref ref-type="fig" rid="fig3">Figure 3c</xref> showed that the finite length scale of substrate localization (or, finite driving force) sets an upper limit on fidelity enhancement for substrates with fixed off-rates. It is therefore of interest to consider these two features together to find the absolute limit on fidelity enhancement available to our model and then compare it with the fundamental bound set by thermodynamics.</p><p>Intuitively, fidelity will be enhanced the most if the density of right complexes does not decay across the compartment, while that of wrong complexes decays maximally. The first condition can be met if diffusion is fast or if the unbinding rate of right substrates is low, in which case we have<disp-formula id="equ46"><label>(S37)</label><mml:math id="m46"><mml:mtable columnspacing="5pt" displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd columnalign="right"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>ER</mml:mtext></mml:msub></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>≈</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>ER</mml:mtext></mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd/></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>where <inline-formula><mml:math id="inf243"><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="false" scriptlevel="2"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">E</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">R</mml:mi></mml:mrow></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mstyle></mml:math></inline-formula> is the equilibrium density of right complexes. Conversely, when the unbinding rate of wrong substrates is very large, the density of wrong complexes is maximally reduced at the rightmost boundary and can be obtained from <xref ref-type="disp-formula" rid="equ35">Equation S24</xref> by taking the <inline-formula><mml:math id="inf244"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:msub></mml:msub><mml:mo>→</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> limit, namely,<disp-formula id="equ47"><label>(S38)</label><mml:math id="m47"><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mrow><mml:mtable columnalign="right left" columnspacing="1em" rowspacing="4pt"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>EW</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:mo>≈</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>on</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>E</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>−</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>off</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>W</mml:mtext></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mfrac><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>on</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>E</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>total</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>−</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>−</mml:mo><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>−</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>off</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>W</mml:mtext></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>on</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>E</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>total</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>off</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>W</mml:mtext></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>×</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>−</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>−</mml:mo><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>−</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>EW</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>×</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>β</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mspace width="thinmathspace"/><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>−</mml:mo><mml:mi>β</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>μ</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>−</mml:mo><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>−</mml:mo><mml:mi>β</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>μ</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>.</mml:mo></mml:mstyle></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:mstyle></mml:math></disp-formula></p><p>Here, <inline-formula><mml:math id="inf245"><mml:msubsup><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>EW</mml:mtext></mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:msubsup></mml:math></inline-formula> is the equilibrium density of wrong complexes, and <inline-formula><mml:math id="inf246"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>β</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>μ</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:msub></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the effective driving force of the scheme. Taking the ratio of <xref ref-type="disp-formula" rid="equ46 equ47">Equations S37 and S38</xref>. Limits on fidelity enhancement, we obtain the largest fidelity enhancement of the scheme for the given driving force, namely,<disp-formula id="equ48"><label>(S39)</label><mml:math id="m48"><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>η</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>max</mml:mtext></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ER</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>EW</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>=</mml:mo><mml:munder><mml:mrow><mml:munder><mml:mfrac><mml:msubsup><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ER</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>EW</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mfrac><mml:mo>⏟</mml:mo></mml:munder></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>η</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>eq</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:munder><mml:mo>×</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>β</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>μ</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>−</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>β</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>μ</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo stretchy="false">⇒</mml:mo></mml:mrow></mml:mstyle></mml:math></disp-formula><disp-formula id="equ49"><label>(S40)</label><mml:math id="m49"><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>η</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>eq</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>max</mml:mtext></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>β</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>μ</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>−</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>β</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mstyle></mml:math></disp-formula></p><p>When <inline-formula><mml:math id="inf247"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>β</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>μ</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>≳</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (or, <inline-formula><mml:math id="inf248"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:msub></mml:msub><mml:mo>≲</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, the limit above gets further simplified into<disp-formula id="equ50"><label>(S41)</label><mml:math id="m50"><mml:mtable columnspacing="5pt" displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd columnalign="right"><mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>η</mml:mi><mml:mtext>eq</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mtext>max</mml:mtext></mml:msup><mml:mo>≈</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>β</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>μ</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi>β</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>μ</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd/></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula></p><fig id="app2fig2" position="float"><label>Appendix 2—figure 2.</label><caption><title>Fidelity enhancement as a function of the effective driving force for varying choices of <inline-formula><mml:math id="inf249"><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mtext>off</mml:mtext><mml:mtext>W</mml:mtext></mml:msubsup></mml:math></inline-formula>.</title><p>The red dashed line indicates the thermodynamic bound given by <inline-formula><mml:math id="inf250"><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>β</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>μ</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula>. The black dashed line corresponds to the model’s upper limit on fidelity enhancement given by <xref ref-type="disp-formula" rid="equ49">Equation S40</xref>.</p></caption><graphic mime-subtype="tiff" mimetype="image" xlink:href="elife-60415-app2-fig2-v2.tif"/></fig><p>Now, thermodynamics imposes an upper bound on fidelity enhancement by any proofreading scheme operating with a finite chemical potential <inline-formula><mml:math id="inf251"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>μ</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. This bound is equal to <inline-formula><mml:math id="inf252"><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>β</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>μ</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula> and is reached when the entire chemical potential is used to increase the free energy difference between right and wrong substrates (<xref ref-type="bibr" rid="bib38">Qian, 2006</xref>). Comparing it with the result in <xref ref-type="disp-formula" rid="equ50">Equation S41</xref>, we can see that fidelity enhancement in the spatial proofreading model has the same exponential scaling term, but with an additional linear factor. Since the dominant contribution comes from the exponential term (as captured also in <xref ref-type="fig" rid="app2fig2">Appendix 2—figure 2</xref>), we can claim that our proposed model can operate very close to the fundamental thermodynamic limit.</p></sec><sec id="s9-3"><title>3. Energetic cost to setup a concentration gradient</title><p>Earlier in the section, we calculated the rate at which energy needs to be dissipated to counteract the homogenizing effect that enzyme activity has on the substrate gradient. In addition to this cost, however, there is also a baseline cost for setting up a gradient in the absence of any enzyme. Here, we calculate this cost in the case where the gradient formation mechanism needs to work against diffusion that tends to flatten the substrate profile.</p><p>As before, we consider an exponentially decaying substrate gradient with a decay length scale <inline-formula><mml:math id="inf253"><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:msub></mml:msub></mml:math></inline-formula> and a total number of substrates <inline-formula><mml:math id="inf254"><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mtext>total</mml:mtext></mml:msub></mml:math></inline-formula>. We write the minimum power <inline-formula><mml:math id="inf255"><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> required for counteracting the diffusion of substrates as<disp-formula id="equ51"><label>(S42)</label><mml:math id="m51"><mml:mtable columnspacing="5pt" displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd columnalign="right"><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mo largeop="true" symmetric="true">∫</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mi>L</mml:mi></mml:msubsup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>J</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msup><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo rspace="4.2pt" stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>d</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd/></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>where <inline-formula><mml:math id="inf256"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>J</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:msub></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>∇</mml:mo><mml:mo>⁡</mml:mo><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:msub></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the diffusive flux, with <inline-formula><mml:math id="inf257"><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:msub></mml:msub></mml:math></inline-formula> being the substrate diffusion constant. The rationale for writing this form is that diffusion moves substrates from a higher chemical potential region into a neighboring lower chemical potential region. The gradient maintaining mechanism would need to spend at least this chemical potential difference (<inline-formula><mml:math id="inf258"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>δ</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>μ</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>δ</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula>) per each substrate diffusing a distance <inline-formula><mml:math id="inf259"><mml:mrow><mml:mi>δ</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> down the chemical potential gradient. Adding up the contribution from all local neighborhoods with a local diffusive flux <inline-formula><mml:math id="inf260"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>J</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> results in <xref ref-type="disp-formula" rid="equ51">Equation S42</xref>.</p><p>Now, substituting <inline-formula><mml:math id="inf261"><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:msub></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>∼</mml:mo><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:msub></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> for the substrate profile and <inline-formula><mml:math id="inf262"><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mrow><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>B</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>ln</mml:mi><mml:mo>⁡</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mstyle></mml:math></inline-formula> for the chemical potential, we obtain<disp-formula id="equ52"><label>(S43)</label><mml:math id="m52"><mml:mtable columnspacing="5pt" displaystyle="true" rowspacing="0pt"><mml:mtr><mml:mtd columnalign="right"><mml:mrow><mml:mi>β</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd columnalign="left"><mml:mrow><mml:mi/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mo largeop="true" symmetric="true">∫</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mi>L</mml:mi></mml:msubsup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:msub></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mpadded width="+1.7pt"><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ln</mml:mi><mml:mo>⁡</mml:mo><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:msub></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mpadded><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>d</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd columnalign="left"><mml:mrow><mml:mi/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:msub></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mo largeop="true" symmetric="true">∫</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mi>L</mml:mi></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mpadded width="+1.7pt"><mml:mfrac><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:msub></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mpadded><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>d</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd columnalign="left"><mml:mrow><mml:mi/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:msub></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mo largeop="true" symmetric="true">∫</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mi>L</mml:mi></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mpadded width="+1.7pt"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:msub></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>λ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:msub><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mfrac></mml:mpadded><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>d</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi/></mml:mtd><mml:mtd columnalign="left"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:msub></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mtext>total</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>λ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:msub><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>where in the third step we used the relation <inline-formula><mml:math id="inf263"><mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:msub></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:msub></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. This suggests that the minimum dissipated power required for setting up an exponential gradient increases quadratically with decreasing localization length scale <inline-formula><mml:math id="inf264"><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:msub></mml:msub></mml:math></inline-formula>.</p><p>It is informative to also make a comparison between this result and the earlier calculated minimum dissipation needed to counteract the enzyme’s homogenizing activity. Recall that when substrates were sufficiently localized and when diffusion was sufficiently slow, proofreading power could be approximated as (<xref ref-type="disp-formula" rid="equ44">Equation S35</xref>)<disp-formula id="equ53"><label>(S44)</label><mml:math id="m53"><mml:mtable columnspacing="5pt" displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd columnalign="right"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>β</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>P</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>≈</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>J</mml:mi><mml:mtext>bind</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mfrac><mml:msubsup><mml:mi>λ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:msub><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:msub></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:msub></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:msub></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd/></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>where <inline-formula><mml:math id="inf265"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>J</mml:mi><mml:mtext>bind</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mtext>on</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mtext>total</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>E</mml:mtext></mml:msub></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the total substrate binding flux. Using the identities <inline-formula><mml:math id="inf266"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:msub></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mtext>off</mml:mtext><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:msubsup></mml:mrow></mml:msqrt></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="inf267"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>K</mml:mi><mml:mtext>d</mml:mtext><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mtext>off</mml:mtext><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:msubsup><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mtext>on</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, we can calculate the ratio of the proofreading power to baseline power as<disp-formula id="equ54"><label>(S45)</label><mml:math id="m54"><mml:mtable columnspacing="5pt" displaystyle="true" rowspacing="0pt"><mml:mtr><mml:mtd columnalign="right"><mml:mfrac><mml:mi>P</mml:mi><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi></mml:msub></mml:mfrac></mml:mtd><mml:mtd columnalign="left"><mml:mrow><mml:mi/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mtext>on</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mtext>total</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>E</mml:mtext></mml:msub></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>λ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:msub><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:msub></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mtext>total</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>×</mml:mo><mml:mfrac><mml:msubsup><mml:mi>λ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:msub><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:msub></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:msub></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:msub></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd columnalign="left"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mi>D</mml:mi><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:msub></mml:msub></mml:mfrac><mml:mo>×</mml:mo><mml:mfrac><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>E</mml:mtext></mml:msub></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>K</mml:mi><mml:mtext>d</mml:mtext><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:msubsup></mml:mfrac><mml:mo>×</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:msub></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:msub></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:msub></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:msub></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula></p><p>Presuming for simplicity that the enzyme and substrate diffusion constants are the same, we see that two factors determine the power ratio: (1) the amount of free enzyme in the system (<inline-formula><mml:math id="inf268"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>E</mml:mtext></mml:msub></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>K</mml:mi><mml:mtext>d</mml:mtext><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>) and (2) the substrate localization length scale relative to the characteristic length scale of complex diffusion (<inline-formula><mml:math id="inf269"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:msub></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:msub></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>). Now, recall that the proofreading cost is spent largely on counteracting the homogenizing activity of the enzyme on right substrates (Appendix 2.1) and that the bulk of fidelity enhancement takes place when <inline-formula><mml:math id="inf270"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:msub></mml:msub><mml:mo>≲</mml:mo><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>ER</mml:mtext></mml:msub></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (Appendix 1.4). Therefore, when tuning <inline-formula><mml:math id="inf271"><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:msub></mml:msub></mml:math></inline-formula> down, initially the power ratio would only depend on the amount of free enzyme in the system (<inline-formula><mml:math id="inf272"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>E</mml:mtext></mml:msub></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>K</mml:mi><mml:mtext>d</mml:mtext><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>) and then, with tighter substrate localization, the relative contribution of the proofreading power would start to decrease.</p><p>In the end, we would like to note that spatial gradients can also be set up using an external potential without a continuous dissipation of energy. In an in vivo setting, gravity can give rise to spatial structures in oocytes (<xref ref-type="bibr" rid="bib12">Feric and Brangwynne, 2013</xref>), while in an in vitro setting, electric fields can create gradients and power the transport of the complex (<xref ref-type="bibr" rid="bib15">Hansen et al., 2017</xref>). We leave the investigations of such alternative strategies to future work.</p></sec></sec></boxed-text></app><app id="appendix-3"><title>Appendix 3</title><boxed-text><sec id="s10" sec-type="appendix"><title>Studies on the effect of catalysis on the model performance</title><p>In Appendix 1, we considered the rate of catalysis at the right boundary to be very small for the analytical simplicity of our derivations. This resulted in expressions for fidelity that were independent of the rate of catalysis <italic>r</italic> and allowed us to use the complex density at the right boundary as a proxy for speed. In this section, we relax this assumption and explore the consequences of having non-negligible catalysis rates on the model’s fidelity and on the speed–fidelity trade-off.</p><sec id="s10-1"><title>1. Derivation of the complex density profile <inline-formula><mml:math id="inf273"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:msub></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula></title><p>Accounting for catalysis in our model should be done through a boundary condition for the complex density equation (<xref ref-type="disp-formula" rid="equ12">Equation S1</xref>). Earlier, we imposed a no-flux boundary condition at <inline-formula><mml:math id="inf274"><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> under the slow catalysis assumption. With non-negligible catalysis, this assumption is no longer valid, and the boundary condition is modified into<disp-formula id="equ55"><label>(S46)</label><mml:math id="m55"><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mrow><mml:mo>−</mml:mo><mml:mi>D</mml:mi><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mrow><mml:mo maxsize="1.2em" minsize="1.2em">|</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:munder><mml:mrow><mml:munder><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>⏟</mml:mo></mml:munder></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>catalysis </mml:mtext><mml:mrow><mml:mspace width="thinmathspace"/></mml:mrow><mml:mtext> flux</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow></mml:munder><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mstyle></mml:math></disp-formula></p><p>Recall from <xref ref-type="disp-formula" rid="equ15 equ1 equ17 equ19">Equations S4, S6 and S8</xref> that the general solution for the complex profile had the form<disp-formula id="equ56"><mml:math id="m56"><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mrow><mml:mtable columnalign="right left right left right left right left right left right left" columnspacing="0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em" displaystyle="true" rowspacing="3pt"><mml:mlabeledtr><mml:mtd><mml:mtext>(S47)</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow/><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="false" scriptlevel="2"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">E</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">S</mml:mi></mml:mrow></mml:mstyle></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:mi/><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>−</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>−</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="1em"/><mml:mtext>where</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd/></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr><mml:mtd><mml:mtext>(S48)</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd><mml:mi/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>on</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>E</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>off</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>−</mml:mo><mml:mfrac><mml:msubsup><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd/></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:mstyle></mml:math></disp-formula></p><p>Imposing the no-flux boundary condition at <inline-formula><mml:math id="inf275"><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> allows us to eliminate one of the integration constants, namely,<disp-formula id="equ57"><mml:math id="m57"><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mrow><mml:mtable columnalign="right left right left right left right left right left right left" columnspacing="0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em" displaystyle="true" rowspacing="3pt"><mml:mlabeledtr><mml:mtd><mml:mtext>(S49)</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow/><mml:mo>−</mml:mo><mml:mi>D</mml:mi><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mrow><mml:mo maxsize="1.2em" minsize="1.2em">|</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd><mml:mi/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>−</mml:mo><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>−</mml:mo><mml:mfrac><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mfrac><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mfrac><mml:mo>−</mml:mo><mml:mfrac><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo stretchy="false">⇒</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd/></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr><mml:mtd><mml:mtext>(S50)</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd><mml:mi/><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mfrac><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">⇒</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd/></mml:mlabeledtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:mi/><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>−</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>−</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd/></mml:mtr><mml:mlabeledtr><mml:mtd><mml:mtext>(S51)</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mi/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>cosh</mml:mi><mml:mo>⁡</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>−</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd/></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:mstyle></mml:math></disp-formula></p><p>Next, we impose the new boundary condition at <inline-formula><mml:math id="inf276"><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (<xref ref-type="disp-formula" rid="equ55">Equation S46</xref>), which yields<disp-formula id="equ58"><label>(S52)</label><mml:math id="m58"><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mrow><mml:mtable columnalign="right left" columnspacing="1em" rowspacing="4pt"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mo>−</mml:mo><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mfrac><mml:mi>sinh</mml:mi><mml:mo>⁡</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>−</mml:mo><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>−</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"/></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mspace width="1em"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>cosh</mml:mi><mml:mo>⁡</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>−</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mspace width="1em"/><mml:mo stretchy="false">⇒</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>sinh</mml:mi><mml:mo>⁡</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mfrac><mml:mspace width="thinmathspace"/><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>−</mml:mo><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>−</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"/></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mspace width="1em"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>−</mml:mo><mml:munder><mml:mrow><mml:munder><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mfrac><mml:mo>⏟</mml:mo></mml:munder></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ε</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>cosh</mml:mi><mml:mo>⁡</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>−</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:mstyle></mml:math></disp-formula></p><p>Note that we have introduced the dimensionless variable <inline-formula><mml:math id="inf277"><mml:mi>ε</mml:mi></mml:math></inline-formula>, which, as will see later, will define the extent to which the presence of catalysis affects the fidelity. For convenience, here we write different equivalent forms for <inline-formula><mml:math id="inf278"><mml:mi>ε</mml:mi></mml:math></inline-formula> as<disp-formula id="equ59"><label>(S53)</label><mml:math id="m59"><mml:mtable columnspacing="5pt" displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd columnalign="right"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ε</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:msub></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mfrac><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mi>r</mml:mi><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mtext>off</mml:mtext><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:msubsup></mml:mrow></mml:msqrt></mml:mfrac><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mi>r</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mtext>off</mml:mtext><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msqrt><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>τ</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mtext>off</mml:mtext><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:msubsup></mml:mrow></mml:msqrt></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd/></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula></p><p>Solving for the remaining unknown coefficient <italic>C</italic><sub>1</sub> in <xref ref-type="disp-formula" rid="equ58">Equation S52</xref>, we find<disp-formula id="equ60"><label>(S54)</label><mml:math id="m60"><mml:mtable columnspacing="5pt" displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd columnalign="right"><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:msub></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:msub></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:msub></mml:msub></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:msub></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>ε</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:msub></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:msub></mml:msub></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:msub></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:msub></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>sinh</mml:mi><mml:mo>⁡</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:msub></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>ε</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>cosh</mml:mi><mml:mo>⁡</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:msub></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd/></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula></p><p>Lastly, we substitute this result for <italic>C</italic><sub>1</sub> into <xref ref-type="disp-formula" rid="equ57">Equation S51</xref> and obtain a general expression for the complex density profile as<disp-formula id="equ61"><label>(S55)</label><mml:math id="m61"><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="false" scriptlevel="2"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">E</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">S</mml:mi></mml:mrow></mml:mstyle></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>−</mml:mo><mml:mfrac><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>−</mml:mo><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>−</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>ε</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>−</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>sinh</mml:mi><mml:mo>⁡</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>ε</mml:mi><mml:mi>cosh</mml:mi><mml:mo>⁡</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mi>cosh</mml:mi><mml:mo>⁡</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>−</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mstyle></mml:math></disp-formula></p><p>One can show in a straightforward way that this result reduces to <xref ref-type="disp-formula" rid="equ24">Equation S13</xref> in the <inline-formula><mml:math id="inf279"><mml:mrow><mml:mi>ε</mml:mi><mml:mo>→</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> limit.</p></sec><sec id="s10-2"><title>2. Effects on fidelity in low and high substrate localization regimes</title><p>Accounting for the catalysis flux has made the general expression for the complex density profile even more incomprehensible. In order to gain insights about the qualitative as well as quantitative changes introduced by catalysis, we will focus on two characteristic limits of substrate localization – uniform substrate profile (<inline-formula><mml:math id="inf280"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:msub></mml:msub><mml:mo>→</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>) and ideal substrate localization (<inline-formula><mml:math id="inf281"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:msub></mml:msub><mml:mo>→</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>).</p><sec id="s10-2-1"><title>2.1. Uniform substrate profile</title><p>In this case, no mechanism for localizing substrates is in play. Let us start off by evaluating the coefficient <inline-formula><mml:math id="inf282"><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> (<xref ref-type="disp-formula" rid="equ56">Equation S48</xref>) in the <inline-formula><mml:math id="inf283"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:msub></mml:msub><mml:mo>→</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> limit. Recalling from <xref ref-type="disp-formula" rid="equ14">Equation S3</xref> that <inline-formula><mml:math id="inf284"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:msub></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mtext>total</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:msub></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:msub></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula>), we find<disp-formula id="equ62"><mml:math id="m62"><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mrow><mml:mtable columnalign="right left right left right left right left right left right left" columnspacing="0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em" displaystyle="true" rowspacing="3pt"><mml:mlabeledtr><mml:mtd><mml:mtext>(S56)</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow/><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mstyle></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mo>≈</mml:mo><mml:mfrac><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>total</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>L</mml:mi></mml:mfrac><mml:mo stretchy="false">⇒</mml:mo></mml:mstyle></mml:mtd><mml:mtd/></mml:mlabeledtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mstyle></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mo>≈</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>on</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>E</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>off</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mo>≈</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>on</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>total</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>E</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>off</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mtd></mml:mtr><mml:mlabeledtr><mml:mtd><mml:mtext>(S57)</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:msub><mml:mi>J</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>bind</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>off</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo></mml:mstyle></mml:mtd><mml:mtd/></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:mstyle></mml:math></disp-formula>where <inline-formula><mml:math id="inf285"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>J</mml:mi><mml:mtext>bind</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mtext>on</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mtext>total</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>E</mml:mtext></mml:msub></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the total substrate binding flux.</p><p>Substituting the expression for <inline-formula><mml:math id="inf286"><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> into <xref ref-type="disp-formula" rid="equ61">Equation S55</xref> and eliminating all the terms that vanish upon taking the <inline-formula><mml:math id="inf287"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:msub></mml:msub><mml:mo>→</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> limit, we obtain<disp-formula id="equ63"><label>(S58)</label><mml:math id="m63"><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mrow><mml:mtable columnalign="right left" columnspacing="1em" rowspacing="4pt"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mstyle></mml:mtd><mml:mtd><mml:mo>≈</mml:mo><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>−</mml:mo><mml:mfrac><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mi>ε</mml:mi><mml:mi>cosh</mml:mi><mml:mo>⁡</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mi>sinh</mml:mi><mml:mo>⁡</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>ε</mml:mi><mml:mi>cosh</mml:mi><mml:mo>⁡</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mstyle></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:msub><mml:mi>J</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>bind</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>off</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>×</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>sinh</mml:mi><mml:mo>⁡</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>ε</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>cosh</mml:mi><mml:mo>⁡</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>−</mml:mo><mml:mi>cosh</mml:mi><mml:mo>⁡</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>sinh</mml:mi><mml:mo>⁡</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>ε</mml:mi><mml:mi>cosh</mml:mi><mml:mo>⁡</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>.</mml:mo></mml:mstyle></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:mstyle></mml:math></disp-formula></p><p>Ultimately, we are interested in knowing the rate of product formation defined via <inline-formula><mml:math id="inf288"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:msub></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. We therefore evaluate the complex density at <inline-formula><mml:math id="inf289"><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and multiply it by <italic>r</italic>, which yields<disp-formula id="equ64"><label>(S59)</label><mml:math id="m64"><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mrow><mml:mtable columnalign="right left" columnspacing="1em" rowspacing="4pt"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mstyle></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>J</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>bind</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>×</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mfrac><mml:mi>r</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>off</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>×</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>sinh</mml:mi><mml:mo>⁡</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>sinh</mml:mi><mml:mo>⁡</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>ε</mml:mi><mml:mi>cosh</mml:mi><mml:mo>⁡</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>J</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>bind</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>×</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mfrac><mml:mi>r</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>off</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>×</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>tanh</mml:mi><mml:mo>⁡</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>tanh</mml:mi><mml:mo>⁡</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>ε</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mo>≡</mml:mo><mml:msub><mml:mi>J</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>bind</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>×</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mfrac><mml:mi>r</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>off</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>×</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>tanh</mml:mi><mml:mo>⁡</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msqrt><mml:msub><mml:mi>τ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>off</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:mrow></mml:msubsup></mml:msqrt><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>tanh</mml:mi><mml:mo>⁡</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msqrt><mml:msub><mml:mi>τ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>off</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:mrow></mml:msubsup></mml:msqrt><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>ε</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo></mml:mstyle></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:mstyle></mml:math></disp-formula>where in the last step we wrote an equivalent expression using the <inline-formula><mml:math id="inf290"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:msub></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msqrt><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>τ</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mtext>off</mml:mtext><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:msubsup></mml:mrow></mml:msqrt></mml:mrow></mml:math></inline-formula> identity. To analyze this result further, we will consider two limiting cases.</p><p><bold>Case 1: Fast diffusion</bold> (<inline-formula><mml:math id="inf291"><mml:mrow><mml:msqrt><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>τ</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi></mml:msub><mml:mo mathvariant="bold">⁢</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mtext>𝐨𝐟𝐟</mml:mtext><mml:mtext>𝐒</mml:mtext></mml:msubsup></mml:mrow></mml:msqrt><mml:mo mathvariant="normal">≪</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>). If diffusion is fast, we can approximate the hyperbolic tangent functions as the arguments themselves (i.e. <inline-formula><mml:math id="inf292"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>tanh</mml:mi><mml:mo>⁡</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>≈</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> for <inline-formula><mml:math id="inf293"><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>≪</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>). Then, using the last form of <inline-formula><mml:math id="inf294"><mml:mi>ε</mml:mi></mml:math></inline-formula> in <xref ref-type="disp-formula" rid="equ59">Equation S53</xref>, we simplify the expression for speed as<disp-formula id="equ65"><mml:math id="m65"><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mrow><mml:mtable columnalign="right left right left right left right left right left right left" columnspacing="0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em" displaystyle="true" rowspacing="3pt"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow/><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd><mml:mi/><mml:mo>≈</mml:mo><mml:msub><mml:mi>J</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>bind</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>×</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mfrac><mml:mi>r</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>off</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>×</mml:mo><mml:mfrac><mml:msqrt><mml:msub><mml:mi>τ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>off</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:mrow></mml:msubsup></mml:msqrt><mml:mrow><mml:msqrt><mml:msub><mml:mi>τ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>off</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:mrow></mml:msubsup></mml:msqrt><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mi>r</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>off</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msqrt><mml:msub><mml:mi>τ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>off</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:mrow></mml:msubsup></mml:msqrt></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mtd><mml:mtd/></mml:mtr><mml:mlabeledtr><mml:mtd><mml:mtext>(S60)</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mi/><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>J</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>bind</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>×</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mfrac><mml:mi>r</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>off</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>×</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mi>r</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>off</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo stretchy="false">⇒</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd/></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr><mml:mtd><mml:mtext>(S61)</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd><mml:mi/><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>J</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>bind</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>×</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo stretchy="false">~</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>off</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo stretchy="false">~</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="1em"/><mml:mtext>where</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd/></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr><mml:mtd><mml:mtext>(S62)</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo stretchy="false">~</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mi/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd/></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:mstyle></mml:math></disp-formula></p><p>This is an intuitive result, suggesting that an enzyme that diffuses fast acts like a standard Michaelis–Menten enzyme with an effective catalysis rate <inline-formula><mml:math id="inf295"><mml:mover accent="true"><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo stretchy="false">~</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula>. For such an enzyme, the probability of catalysis for a bound substrate is <inline-formula><mml:math id="inf296"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo stretchy="false">~</mml:mo></mml:mover><mml:mo>/</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mtext>off</mml:mtext><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo stretchy="false">~</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Multiplying this probability by the net substrate binding flux yields the expression for speed in <xref ref-type="disp-formula" rid="equ65">Equation S61</xref>.</p><p>Fidelity of the model in this fast diffusion setting can be written as<disp-formula id="equ66"><label>(S63)</label><mml:math id="m66"><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>R</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>W</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mfrac><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>off</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>W</mml:mtext></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo stretchy="false">~</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>off</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>R</mml:mtext></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo stretchy="false">~</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mstyle></mml:math></disp-formula></p><p>In the limit where catalysis is very slow (<inline-formula><mml:math id="inf297"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo stretchy="false">~</mml:mo></mml:mover><mml:mo>≪</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mtext>off</mml:mtext><mml:mtext>R</mml:mtext></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>), the equilibrium fidelity given by the ratio of off-rates is recovered. And in the opposite limit of very fast catalysis (<inline-formula><mml:math id="inf298"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo stretchy="false">~</mml:mo></mml:mover><mml:mo>≫</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mtext>off</mml:mtext><mml:mtext>W</mml:mtext></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>), the discriminatory capacity of the enzyme disappears altogether (<xref ref-type="fig" rid="app3fig1">Appendix 3—figure 1a</xref>).</p><fig id="app3fig1" position="float"><label>Appendix 3—figure 1.</label><caption><title>Dependence of fidelity on the catalysis rate in the case where the substrate profile is uniform.</title><p>(<bold>a</bold>) Fast diffusion setting (<inline-formula><mml:math id="inf299"><mml:mrow><mml:msqrt><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>τ</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mtext>off</mml:mtext><mml:mtext>R</mml:mtext></mml:msubsup></mml:mrow></mml:msqrt><mml:mo>≪</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>). The highest fidelity reduction is a factor of <inline-formula><mml:math id="inf300"><mml:msub><mml:mi>η</mml:mi><mml:mtext>eq</mml:mtext></mml:msub></mml:math></inline-formula>. (<bold>b</bold>) Slow diffusion setting (<inline-formula><mml:math id="inf301"><mml:mrow><mml:msqrt><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>τ</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mtext>off</mml:mtext><mml:mtext>R</mml:mtext></mml:msubsup></mml:mrow></mml:msqrt><mml:mo>≳</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>). The highest fidelity reduction is a factor of <inline-formula><mml:math id="inf302"><mml:msqrt><mml:msub><mml:mi>η</mml:mi><mml:mtext>eq</mml:mtext></mml:msub></mml:msqrt></mml:math></inline-formula>. In both cases, <inline-formula><mml:math id="inf303"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>η</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>10</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> was used.</p></caption><graphic mime-subtype="tiff" mimetype="image" xlink:href="elife-60415-app3-fig1-v2.tif"/></fig><p><bold>Case 2: Slow diffusion</bold> (<inline-formula><mml:math id="inf304"><mml:mrow><mml:msqrt><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>τ</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi></mml:msub><mml:mo mathvariant="bold">⁢</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mtext>𝐨𝐟𝐟</mml:mtext><mml:mtext>𝐒</mml:mtext></mml:msubsup></mml:mrow></mml:msqrt><mml:mo mathvariant="normal">≳</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>). A more interesting case is when diffusion is slow. Now, the hyperbolic tangent functions in <xref ref-type="disp-formula" rid="equ64">Equation S59</xref> are approximately 1, allowing us to simplify the expression for speed into<disp-formula id="equ67"><label>(S64)</label><mml:math id="m67"><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mrow><mml:mtable columnalign="left left" columnspacing="1em" rowspacing="4pt"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mstyle></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>J</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>bind</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>×</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mfrac><mml:mi>r</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>off</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>×</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mi>r</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>off</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msqrt><mml:msub><mml:mi>τ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>off</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:mrow></mml:msubsup></mml:msqrt></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>J</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>bind</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>×</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo stretchy="false">~</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>off</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo stretchy="false">~</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:msqrt><mml:msub><mml:mi>τ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>off</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:mrow></mml:msubsup></mml:msqrt></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>.</mml:mo></mml:mstyle></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:mstyle></mml:math></disp-formula></p><p>Drawing an analogy between the above result and <xref ref-type="disp-formula" rid="equ65">Equation S61</xref>, one can notice the presence of an extra <inline-formula><mml:math id="inf305"><mml:msqrt><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>τ</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mtext>off</mml:mtext><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:msubsup></mml:mrow></mml:msqrt></mml:math></inline-formula> factor for <inline-formula><mml:math id="inf306"><mml:mover accent="true"><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo stretchy="false">~</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> in the denominator.</p><p>Evaluating the speeds of right and wrong product formation, we can write fidelity in this slow diffusion setting as<disp-formula id="equ68"><label>(S65)</label><mml:math id="m68"><mml:mtable columnspacing="5pt" displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd columnalign="right"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mtext>R</mml:mtext></mml:msub><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mtext>W</mml:mtext></mml:msub></mml:mfrac><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mtext>off</mml:mtext><mml:mtext>W</mml:mtext></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo stretchy="false">~</mml:mo></mml:mover><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msqrt><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>τ</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mtext>off</mml:mtext><mml:mtext>W</mml:mtext></mml:msubsup></mml:mrow></mml:msqrt></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mtext>off</mml:mtext><mml:mtext>R</mml:mtext></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo stretchy="false">~</mml:mo></mml:mover><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msqrt><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>τ</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mtext>off</mml:mtext><mml:mtext>R</mml:mtext></mml:msubsup></mml:mrow></mml:msqrt></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd/></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula></p><p>Like the fast diffusion case, when catalysis is very slow (<inline-formula><mml:math id="inf307"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo stretchy="false">~</mml:mo></mml:mover><mml:mo>≪</mml:mo><mml:msqrt><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mtext>off</mml:mtext><mml:mtext>R</mml:mtext></mml:msubsup><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>τ</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msqrt></mml:mrow></mml:math></inline-formula> or, equivalently, <inline-formula><mml:math id="inf308"><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>≪</mml:mo><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mtext>off</mml:mtext><mml:mtext>R</mml:mtext></mml:msubsup></mml:mrow></mml:msqrt></mml:mrow></mml:math></inline-formula>), the equilibrium fidelity is recovered. Unlike the fast diffusion case, however, if catalysis is very fast (<inline-formula><mml:math id="inf309"><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>≫</mml:mo><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mtext>off</mml:mtext><mml:mtext>W</mml:mtext></mml:msubsup></mml:mrow></mml:msqrt></mml:mrow></mml:math></inline-formula>), the enzyme partly preserves its discriminatory capacity (<xref ref-type="fig" rid="app3fig1">Appendix 3—figure 1b</xref>). In this limit, a fidelity equal to the square root of the equilibrium fidelity is still attainable, namely,<disp-formula id="equ69"><label>(S66)</label><mml:math id="m69"><mml:mtable columnspacing="5pt" displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd columnalign="right"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mo>≈</mml:mo><mml:mfrac><mml:msqrt><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mtext>off</mml:mtext><mml:mtext>W</mml:mtext></mml:msubsup></mml:msqrt><mml:msqrt><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mtext>off</mml:mtext><mml:mtext>R</mml:mtext></mml:msubsup></mml:msqrt></mml:mfrac><mml:mo>=</mml:mo><mml:msqrt><mml:msub><mml:mi>η</mml:mi><mml:mtext>eq</mml:mtext></mml:msub></mml:msqrt></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd/></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula></p><p>This unexpected result suggests a potential advantage of localizing fast catalytic reactions instead of having them occur in a well–mixed solution.</p></sec><sec id="s10-2-2"><title>2.2. Ideal substrate localization</title><p>We next consider the effect of catalysis on model fidelity in the ideal substrate localization limit (<inline-formula><mml:math id="inf310"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:msub></mml:msub><mml:mo>→</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>). We begin by evaluating the <inline-formula><mml:math id="inf311"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:msub></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> ratio that appears in the density profile expression (<xref ref-type="disp-formula" rid="equ61">Equation S55</xref>). Using <xref ref-type="disp-formula" rid="equ56">Equations S48</xref> and <xref ref-type="disp-formula" rid="equ14">Equations S3</xref>, we find<disp-formula id="equ70"><mml:math id="m70"><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mrow><mml:mtable columnalign="right left right left right left right left right left right left" columnspacing="0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em" displaystyle="true" rowspacing="3pt"><mml:mlabeledtr><mml:mtd><mml:mtext>(S67)</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow/><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:mi/><mml:mo>≈</mml:mo><mml:mfrac><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>total</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mfrac></mml:mtd><mml:mtd/></mml:mlabeledtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mfrac><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mfrac></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>on</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>E</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>off</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>−</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mi/><mml:mo>≈</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>on</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>total</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>E</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>−</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>off</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mtd></mml:mtr><mml:mlabeledtr><mml:mtd><mml:mtext>(S68)</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mi/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>−</mml:mo><mml:mfrac><mml:msub><mml:mi>J</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>bind</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>D</mml:mi></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd/></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:mstyle></mml:math></disp-formula>where in the last step we invoked the identities <inline-formula><mml:math id="inf312"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>λ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:msub><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mtext>off</mml:mtext><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="inf313"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>J</mml:mi><mml:mtext>bind</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mtext>on</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mtext>total</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>E</mml:mtext></mml:msub></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. We then substitute our result for <inline-formula><mml:math id="inf314"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:msub></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> into <xref ref-type="disp-formula" rid="equ61">Equation S55</xref> and simplify the complex density expression into<disp-formula id="equ71"><label>(S69)</label><mml:math id="m71"><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mrow><mml:mtable columnalign="left left" columnspacing="1em" rowspacing="4pt"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mstyle></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:msub><mml:mi>J</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>bind</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>D</mml:mi></mml:mfrac><mml:mo>×</mml:mo><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>ε</mml:mi><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>sinh</mml:mi><mml:mo>⁡</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>ε</mml:mi><mml:mi>cosh</mml:mi><mml:mo>⁡</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mi>cosh</mml:mi><mml:mo>⁡</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>−</mml:mo><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mstyle></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>J</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>bind</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>×</mml:mo><mml:mfrac><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>D</mml:mi></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>cosh</mml:mi><mml:mo>⁡</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>−</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>ε</mml:mi><mml:mi>sinh</mml:mi><mml:mo>⁡</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>−</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>sinh</mml:mi><mml:mo>⁡</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>ε</mml:mi><mml:mi>cosh</mml:mi><mml:mo>⁡</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>.</mml:mo></mml:mstyle></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:mstyle></mml:math></disp-formula></p><p>To obtain the speed, we evaluate <inline-formula><mml:math id="inf315"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:msub></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> at the right boundary (<inline-formula><mml:math id="inf316"><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>) and multiply it by <italic>r</italic>, namely,<disp-formula id="equ72"><label>(S70)</label><mml:math id="m72"><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mrow><mml:mtable columnalign="left left" columnspacing="1em" rowspacing="4pt"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mstyle></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>J</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>bind</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:munder><mml:mrow><mml:munder><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mfrac><mml:mo>⏟</mml:mo></mml:munder></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ε</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mrow><mml:mi>sinh</mml:mi><mml:mo>⁡</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>ε</mml:mi><mml:mi>cosh</mml:mi><mml:mo>⁡</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>J</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>bind</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>×</mml:mo><mml:mfrac><mml:mi>ε</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>sinh</mml:mi><mml:mo>⁡</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msqrt><mml:msub><mml:mi>τ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>off</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:mrow></mml:msubsup></mml:msqrt><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>ε</mml:mi><mml:mi>cosh</mml:mi><mml:mo>⁡</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msqrt><mml:msub><mml:mi>τ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>off</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:mrow></mml:msubsup></mml:msqrt><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>.</mml:mo></mml:mstyle></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:mstyle></mml:math></disp-formula></p><p>To evaluate the effect of catalysis further, we again consider two special limits – those of fast and slow diffusion.</p><p><bold>Case 1: Fast diffusion</bold> (<inline-formula><mml:math id="inf317"><mml:mrow><mml:msqrt><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>τ</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi></mml:msub><mml:mo mathvariant="bold">⁢</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mtext>𝐨𝐟𝐟</mml:mtext><mml:mtext>𝐒</mml:mtext></mml:msubsup></mml:mrow></mml:msqrt><mml:mo mathvariant="normal">≪</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>). In this limit, the hyperbolic sine function can be approximated by its argument (i.e. <inline-formula><mml:math id="inf318"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>sinh</mml:mi><mml:mo>⁡</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>≈</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> for <inline-formula><mml:math id="inf319"><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>≪</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>), while the hyperbolic cosine function is approximately 1. Making these approximations and substituting the expression for <inline-formula><mml:math id="inf320"><mml:mi>ε</mml:mi></mml:math></inline-formula>, we obtain<disp-formula id="equ73"><label>(S71)</label><mml:math id="m73"><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mrow><mml:mtable columnalign="left left" columnspacing="1em" rowspacing="4pt"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd><mml:mo>≈</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:msub><mml:mi>J</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>bind</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>×</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mi>r</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>off</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msqrt><mml:msub><mml:mi>τ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>off</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:mrow></mml:msubsup></mml:msqrt></mml:mrow><mml:mrow><mml:msqrt><mml:msub><mml:mi>τ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>off</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:mrow></mml:msubsup></mml:msqrt><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mi>r</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>off</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msqrt><mml:msub><mml:mi>τ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>off</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:mrow></mml:msubsup></mml:msqrt></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>J</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>bind</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>×</mml:mo><mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mi>r</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>off</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mi>r</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>off</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>J</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>bind</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>×</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo stretchy="false">~</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>off</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo stretchy="false">~</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>.</mml:mo></mml:mstyle></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:mstyle></mml:math></disp-formula></p><p>This result is identical to what we found in the fast diffusion limit for the <inline-formula><mml:math id="inf321"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:msub></mml:msub><mml:mo>→</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> setting (<xref ref-type="disp-formula" rid="equ65">Equation S61</xref>), which is reasonable, since the location of substrate binding is irrelevant if diffusion is very fast (<xref ref-type="fig" rid="app3fig2">Appendix 3—figure 2a</xref>).</p><fig id="app3fig2" position="float"><label>Appendix 3—figure 2.</label><caption><title>Fidelity as a function of the catalysis rate in an ideal substrate localization setting.</title><p>(<bold>a</bold>) Fast diffusion case, where the behavior of the system is identical to that in <xref ref-type="fig" rid="app3fig1">Appendix 3—figure 1a</xref>. (<bold>b</bold>) Slow diffusion case where efficient proofreading is achieved. Catalysis can reduce the fidelity by up to a factor of <inline-formula><mml:math id="inf322"><mml:msqrt><mml:msub><mml:mi>η</mml:mi><mml:mtext>eq</mml:mtext></mml:msub></mml:msqrt></mml:math></inline-formula>. In both cases, <inline-formula><mml:math id="inf323"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>η</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>10</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> was used.</p></caption><graphic mime-subtype="tiff" mimetype="image" xlink:href="elife-60415-app3-fig2-v2.tif"/></fig><p><bold>Case 2: Slow diffusion</bold> (<inline-formula><mml:math id="inf324"><mml:mrow><mml:msqrt><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>τ</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi></mml:msub><mml:mo mathvariant="bold">⁢</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mtext>𝐨𝐟𝐟</mml:mtext><mml:mtext>𝐒</mml:mtext></mml:msubsup></mml:mrow></mml:msqrt><mml:mo mathvariant="normal">≫</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>). In this limit, the hyperbolic sine and cosine functions can be approximated as exponentials with a <inline-formula><mml:math id="inf325"><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> prefactor, simplifying the expression of speed into<disp-formula id="equ74"><label>(S72)</label><mml:math id="m74"><mml:mtable columnspacing="5pt" displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd columnalign="right"><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>≈</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>J</mml:mi><mml:mtext>bind</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>×</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>ε</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>ε</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msqrt><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>τ</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mtext>off</mml:mtext><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:msubsup></mml:mrow></mml:msqrt></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd/></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula></p><p>Recalling the identity <inline-formula><mml:math id="inf326"><mml:mrow><mml:mi>ε</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mtext>off</mml:mtext><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:msubsup></mml:mrow></mml:msqrt></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (note that <inline-formula><mml:math id="inf327"><mml:mi>ε</mml:mi></mml:math></inline-formula> depends on the substrate kind), we evaluate the speed for right and wrong product formation and, dividing them, obtain the fidelity as<disp-formula id="equ75"><label>(S73)</label><mml:math id="m75"><mml:mtable columnspacing="5pt" displaystyle="true" rowspacing="0pt"><mml:mtr><mml:mtd columnalign="right"><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mtext>R</mml:mtext></mml:msub><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mtext>W</mml:mtext></mml:msub></mml:mfrac></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd columnalign="left"><mml:mrow><mml:mi/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mtext>off</mml:mtext><mml:mtext>W</mml:mtext></mml:msubsup></mml:mrow></mml:msqrt></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mtext>off</mml:mtext><mml:mtext>R</mml:mtext></mml:msubsup></mml:mrow></mml:msqrt></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>×</mml:mo><mml:mfrac><mml:msqrt><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mtext>off</mml:mtext><mml:mtext>W</mml:mtext></mml:msubsup></mml:msqrt><mml:msqrt><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mtext>off</mml:mtext><mml:mtext>R</mml:mtext></mml:msubsup></mml:msqrt></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:msqrt><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>τ</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mtext>off</mml:mtext><mml:mtext>W</mml:mtext></mml:msubsup></mml:mrow></mml:msqrt><mml:mo>-</mml:mo><mml:msqrt><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>τ</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mtext>off</mml:mtext><mml:mtext>R</mml:mtext></mml:msubsup></mml:mrow></mml:msqrt></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd columnalign="left"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mtext>off</mml:mtext><mml:mtext>W</mml:mtext></mml:msubsup></mml:mrow></mml:msqrt></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mtext>off</mml:mtext><mml:mtext>R</mml:mtext></mml:msubsup></mml:mrow></mml:msqrt></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>×</mml:mo><mml:msqrt><mml:msub><mml:mi>η</mml:mi><mml:mtext>eq</mml:mtext></mml:msub></mml:msqrt></mml:mrow><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:msqrt><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>τ</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mtext>off</mml:mtext><mml:mtext>R</mml:mtext></mml:msubsup></mml:mrow></mml:msqrt><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msqrt><mml:msub><mml:mi>η</mml:mi><mml:mtext>eq</mml:mtext></mml:msub></mml:msqrt><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula></p><p>In the case where catalysis is slow (<inline-formula><mml:math id="inf328"><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>≪</mml:mo><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mtext>off</mml:mtext><mml:mtext>R</mml:mtext></mml:msubsup></mml:mrow></mml:msqrt></mml:mrow></mml:math></inline-formula>), the first term in the fidelity expression becomes approximately 1, and the our earlier result obtained with no account of catalysis is recovered (<xref ref-type="disp-formula" rid="equ32">Equation S21</xref>). In the opposite limit of fast catalysis (<inline-formula><mml:math id="inf329"><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>≫</mml:mo><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mtext>off</mml:mtext><mml:mtext>W</mml:mtext></mml:msubsup></mml:mrow></mml:msqrt></mml:mrow></mml:math></inline-formula>), the first term is no longer 1, and we find<disp-formula id="equ76"><label>(S74)</label><mml:math id="m76"><mml:mtable columnspacing="5pt" displaystyle="true" rowspacing="0pt"><mml:mtr><mml:mtd columnalign="right"><mml:mi>η</mml:mi></mml:mtd><mml:mtd columnalign="left"><mml:mrow><mml:mi/><mml:mo>≈</mml:mo><mml:mrow><mml:munder><mml:munder accentunder="true"><mml:mrow><mml:msqrt><mml:mfrac><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mtext>off</mml:mtext><mml:mtext>R</mml:mtext></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mtext>off</mml:mtext><mml:mtext>W</mml:mtext></mml:msubsup></mml:mfrac></mml:msqrt><mml:mo movablelimits="false">⁢</mml:mo><mml:msqrt><mml:msub><mml:mi>η</mml:mi><mml:mtext>eq</mml:mtext></mml:msub></mml:msqrt></mml:mrow><mml:mo movablelimits="false">⏟</mml:mo></mml:munder><mml:mn>1</mml:mn></mml:munder><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:msqrt><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>τ</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mtext>off</mml:mtext><mml:mtext>R</mml:mtext></mml:msubsup></mml:mrow></mml:msqrt><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msqrt><mml:msub><mml:mi>η</mml:mi><mml:mtext>eq</mml:mtext></mml:msub></mml:msqrt><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd columnalign="left"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi/><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:msqrt><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>τ</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mtext>off</mml:mtext><mml:mtext>R</mml:mtext></mml:msubsup></mml:mrow></mml:msqrt><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msqrt><mml:msub><mml:mi>η</mml:mi><mml:mtext>eq</mml:mtext></mml:msub></mml:msqrt><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula></p><p>As we can see, fast catalysis in the slow diffusion regime reduces the fidelity by <inline-formula><mml:math id="inf330"><mml:msqrt><mml:msub><mml:mi>η</mml:mi><mml:mtext>eq</mml:mtext></mml:msub></mml:msqrt></mml:math></inline-formula> or, equivalently, reduces the effective number of proofreading realizations by one half, without affecting the exponential amplification term (<xref ref-type="fig" rid="app3fig2">Appendix 3—figure 2b</xref>).</p><p>To conclude, our study demonstrated the expected reduction of fidelity with increasing catalysis rate. In the case of fast diffusion, up to a factor of <inline-formula><mml:math id="inf331"><mml:msub><mml:mi>η</mml:mi><mml:mtext>eq</mml:mtext></mml:msub></mml:math></inline-formula> reduction is possible, as is the case for the original (<xref ref-type="bibr" rid="bib17">Hopfield, 1974</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="bib49">Wong et al., 2018</xref>). In the case of slow diffusion, however, the cap on the amount of reduction is decreased down to <inline-formula><mml:math id="inf332"><mml:msqrt><mml:msub><mml:mi>η</mml:mi><mml:mtext>eq</mml:mtext></mml:msub></mml:msqrt></mml:math></inline-formula>. The advantage of this feature is most notable in the limit of a non-localized (i.e. uniform) substrate profile and fast catalysis where a diffusing enzyme is still capable of discriminating between substrates. This behavior would not be possible for a Michaelis–Menten enzyme in a well-mixed solution.</p></sec></sec><sec id="s10-3"><title>3. Effects on the speed–fidelity trade-off</title><p>In <xref ref-type="fig" rid="fig3">Figure 3a</xref> of the main text we explored the speed–fidelity trade-off in the slow catalysis limit. This trade-off arose in response to tuning the substrate localization length scale (<inline-formula><mml:math id="inf333"><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:msub></mml:msub></mml:math></inline-formula>) and the diffusion time scale (<inline-formula><mml:math id="inf334"><mml:msub><mml:mi>τ</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula>). Here, we explore the changes to this trade-off behavior in the case where the effects of catalysis are not negligible. For concreteness, we focus on alterations to the Pareto front of the trade-off achieved in the <inline-formula><mml:math id="inf335"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:msub></mml:msub><mml:mo>→</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> limit.</p><p><xref ref-type="fig" rid="app3fig3">Appendix 3—figure 3a</xref> compares the Pareto fronts in the cases of slow and fast catalysis limits. In each case, speed is normalized by the corresponding effective Michaelis–Menten speed that is reached in the fast diffusion limit and is given by <inline-formula><mml:math id="inf336"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>MM</mml:mtext></mml:msub></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>J</mml:mi><mml:mtext>bind</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>×</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo stretchy="false">~</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mtext>off</mml:mtext><mml:mtext>R</mml:mtext></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo stretchy="false">~</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, where <inline-formula><mml:math id="inf337"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo stretchy="false">~</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. One can notice a shift of the fast catalysis front toward the low-fidelity region, which was expected since earlier we observed the complete loss of substrate discrimination when diffusion and catalysis were both fast (<xref ref-type="fig" rid="app3fig2">Appendix 3—figure 2a</xref>).</p><fig id="app3fig3" position="float"><label>Appendix 3—figure 3.</label><caption><title>Pareto front of the speed–fidelity trade-off at different levels of catalytic activity.</title><p>(<bold>a</bold>) Cases of slow and fast catalysis limits, with the <italic>y</italic>-axis for speed normalized to the [0,1] interval. (<bold>b</bold>) Family of Pareto fronts for different choices of the catalysis rate. Speed on the <italic>y</italic>-axis is reported relative to the substrate binding flux <inline-formula><mml:math id="inf338"><mml:msub><mml:mi>J</mml:mi><mml:mtext>bind</mml:mtext></mml:msub></mml:math></inline-formula>.</p></caption><graphic mime-subtype="tiff" mimetype="image" xlink:href="elife-60415-app3-fig3-v2.tif"/></fig><p><xref ref-type="fig" rid="app3fig3">Appendix 3—figure 3a</xref> may leave an impression that faster catalysis leads to a less favorable speed–fidelity trade-off. Note, however, that the speed <inline-formula><mml:math id="inf339"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>MM</mml:mtext></mml:msub></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo stretchy="false">~</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> used to normalize the <italic>y</italic>-axis is itself a function of the catalysis rate and penalizes the fast catalysis case more than its slow counterpart. To eliminate this ambiguity, we plotted a family of Pareto fronts for increasing values of the catalysis rate but this time normalizing the <italic>y</italic>-axis by the <italic>r</italic>-independent quantity <inline-formula><mml:math id="inf340"><mml:msub><mml:mi>J</mml:mi><mml:mtext>bind</mml:mtext></mml:msub></mml:math></inline-formula> (<xref ref-type="fig" rid="app3fig3">Appendix 3—figure 3b</xref>). As can be seen, faster catalysis in fact improves the speed–fidelity trade-off, meaning that in order to maximize fidelity at a given speed level, the best strategy would be to increase the catalysis rate and correspondingly slow down the diffusion.</p><p>A trade-off between speed and fidelity also arises in response to the sole alteration of the catalysis rate, while keeping the rest of the model parameters fixed. To explore this trade-off for an arbitrary fixed choice of <inline-formula><mml:math id="inf341"><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:msub></mml:msub></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="inf342"><mml:msub><mml:mi>τ</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula>, we begin by evaluating speed from <xref ref-type="disp-formula" rid="equ61">Equation S55</xref>, namely,<disp-formula id="equ77"><label>(S75)</label><mml:math id="m77"><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mrow><mml:mtable columnalign="left left" columnspacing="1em" rowspacing="4pt"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mstyle></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mstyle></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>×</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>−</mml:mo><mml:mfrac><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>−</mml:mo><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>−</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>ε</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>−</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>sinh</mml:mi><mml:mo>⁡</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>ε</mml:mi><mml:mi>cosh</mml:mi><mml:mo>⁡</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mi>cosh</mml:mi><mml:mo>⁡</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>−</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mstyle></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>×</mml:mo><mml:mfrac><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo maxsize="2.047em" minsize="2.047em">(</mml:mo></mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>−</mml:mo><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>−</mml:mo><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>−</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>×</mml:mo><mml:mi>cosh</mml:mi><mml:mo>⁡</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>−</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>×</mml:mo><mml:mi>sinh</mml:mi><mml:mo>⁡</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>sinh</mml:mi><mml:mo>⁡</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>ε</mml:mi><mml:mi>cosh</mml:mi><mml:mo>⁡</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>+</mml:mo></mml:mstyle></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mspace width="2em"/><mml:mspace width="2em"/><mml:mspace width="2em"/><mml:mi>ε</mml:mi><mml:mo>×</mml:mo><mml:munder><mml:mrow><mml:munder><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>−</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>−</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>×</mml:mo><mml:mi>cosh</mml:mi><mml:mo>⁡</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>−</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>×</mml:mo><mml:mi>cosh</mml:mi><mml:mo>⁡</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>sinh</mml:mi><mml:mo>⁡</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>ε</mml:mi><mml:mi>cosh</mml:mi><mml:mo>⁡</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>⏟</mml:mo></mml:munder></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:munder><mml:mrow><mml:mo maxsize="2.047em" minsize="2.047em">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mstyle></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>×</mml:mo><mml:mfrac><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>sinh</mml:mi><mml:mo>⁡</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>cosh</mml:mi><mml:mo>⁡</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>−</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>−</mml:mo><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>sinh</mml:mi><mml:mo>⁡</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>ε</mml:mi><mml:mi>cosh</mml:mi><mml:mo>⁡</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>.</mml:mo></mml:mstyle></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:mstyle></mml:math></disp-formula></p><p>In the last step, we introduced coefficients <inline-formula><mml:math id="inf343"><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:msub></mml:msub></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="inf344"><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:msub></mml:msub></mml:math></inline-formula> that are <italic>independent</italic> from <italic>r</italic>, and used the fact that <inline-formula><mml:math id="inf345"><mml:mrow><mml:mi>ε</mml:mi><mml:mo>∼</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p><p>Now, using the definition of fidelity and the result obtained above, we can write<disp-formula id="equ78"><label>(S76)</label><mml:math id="m78"><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mrow><mml:mtable columnalign="right left" columnspacing="1em" rowspacing="4pt"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>η</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>R</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>W</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mfrac><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>R</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>W</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>W</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>R</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:mstyle></mml:math></disp-formula></p><p>Notice that the ratio <inline-formula><mml:math id="inf346"><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>R</mml:mtext></mml:msub></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>W</mml:mtext></mml:msub></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>≡</mml:mo><mml:msub><mml:mi>η</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the fidelity in the limit of very slow catalysis (<inline-formula><mml:math id="inf347"><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>→</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>). Substituting it, we write<disp-formula id="equ79"><mml:math id="m79"><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mrow><mml:mtable columnalign="right left right left right left right left right left right left" columnspacing="0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em" displaystyle="true" rowspacing="3pt"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow/><mml:mi>η</mml:mi></mml:mtd><mml:mtd><mml:mi/><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>η</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo maxsize="2.047em" minsize="2.047em">(</mml:mo></mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>R</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>−</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>R</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>−</mml:mo><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>W</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>R</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo maxsize="2.047em" minsize="2.047em">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mlabeledtr><mml:mtd><mml:mtext>(S77)</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mi/><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>η</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo maxsize="2.047em" minsize="2.047em">(</mml:mo></mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>−</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>R</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>−</mml:mo><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>W</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>×</mml:mo><mml:munder><mml:mrow><mml:munder><mml:mfrac><mml:mi>r</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>R</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>⏟</mml:mo></mml:munder></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>R</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>R</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:munder><mml:mrow><mml:mo maxsize="2.047em" minsize="2.047em">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⇒</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd/></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr><mml:mtd><mml:mtext>(S78)</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mi>η</mml:mi></mml:mtd><mml:mtd><mml:mi/><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>η</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>−</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>R</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mfrac><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>R</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd/></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:mstyle></mml:math></disp-formula>where <inline-formula><mml:math id="inf348"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>R</mml:mtext></mml:msub></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>W</mml:mtext></mml:msub></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Recalling that <inline-formula><mml:math id="inf349"><mml:mrow><mml:mi>ε</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:msub></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and noting the function form of the denominator in <xref ref-type="disp-formula" rid="equ77">Equation S75</xref>, one can show that <inline-formula><mml:math id="inf350"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:msub></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:msub></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>tanh</mml:mi><mml:mo>⁡</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:msub></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. This is an increasing function of <inline-formula><mml:math id="inf351"><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:msub></mml:msub></mml:math></inline-formula> and hence, a decreasing function of <inline-formula><mml:math id="inf352"><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mtext>off</mml:mtext><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:msubsup></mml:math></inline-formula>, implying that <inline-formula><mml:math id="inf353"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p><p>With this condition in mind, we can see from <xref ref-type="disp-formula" rid="equ79">Equation S78</xref> that speed and fidelity are anticorrelated with a linear slope when tuning the catalysis rate, unlike the more sophisticated trade-off relations when tuning the other model parameters. The peak fidelity <inline-formula><mml:math id="inf354"><mml:msub><mml:mi>η</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub></mml:math></inline-formula> is attained in the limit of vanishing speed. And conversely, speed is the highest when fidelity is the lowest for the given fixed values of <inline-formula><mml:math id="inf355"><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:msub></mml:msub></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="inf356"><mml:msub><mml:mi>τ</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> (<xref ref-type="fig" rid="app3fig4">Appendix 3—figure 4</xref>).</p><fig id="app3fig4" position="float"><label>Appendix 3—figure 4.</label><caption><title>Linear trade-off between speed and fidelity when tuning the rate of catalysis.</title><p><inline-formula><mml:math id="inf357"><mml:msub><mml:mi>η</mml:mi><mml:mtext>min</mml:mtext></mml:msub></mml:math></inline-formula> is the fidelity in the fast catalysis limit and is up to <inline-formula><mml:math id="inf358"><mml:msub><mml:mi>η</mml:mi><mml:mtext>eq</mml:mtext></mml:msub></mml:math></inline-formula> lower than <inline-formula><mml:math id="inf359"><mml:msub><mml:mi>η</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub></mml:math></inline-formula> (based on the results of the previous section). Linear scale is used for both axes.</p></caption><graphic mime-subtype="tiff" mimetype="image" xlink:href="elife-60415-app3-fig4-v2.tif"/></fig><p>Overall, our result illustrates the simple speed–fidelity trade-off that can be navigated by tuning the catalysis rate. This, for instance, can be achieved by changing the concentration of effectors that activate the enzyme for catalysis.</p></sec></sec></boxed-text></app><app id="appendix-4"><title>Appendix 4</title><boxed-text><sec id="s11" sec-type="appendix"><title>Proofreading for substrates with different localization conditions</title><p>Following the original treatment by <xref ref-type="bibr" rid="bib17">Hopfield, 1974</xref>, we have performed the studies of our model under the assumption that discrimination between right and wrong substrates is solely based on their off–rates (<inline-formula><mml:math id="inf360"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mtext>off</mml:mtext><mml:mtext>W</mml:mtext></mml:msubsup><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mtext>off</mml:mtext><mml:mtext>R</mml:mtext></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>). Although this is often the signature difference between substrates, in a cellular setting substrate discrimination may occur through other factors also. For example, substrates may be present at different amounts or they may have non-identical on–rates. These differences, however, have a multiplicative effect on the fidelity (i.e. <inline-formula><mml:math id="inf361"><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mo>∼</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>on</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>R</mml:mtext></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:mtext>R</mml:mtext><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>on</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>W</mml:mtext></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:mtext>W</mml:mtext><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mstyle></mml:math></inline-formula>) and do not highlight the proofreading capacity of a particular model.</p><p>Unlike these two features, differences in the degree to which right and wrong substrates are localized can have a non-trivial effect on the proofreading performance. In this Appendix, we generalize our study of the model fidelity to cases where right and wrong substrates have unequal localization length scales <inline-formula><mml:math id="inf362"><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>R</mml:mtext></mml:msub></mml:msub></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="inf363"><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>W</mml:mtext></mml:msub></mml:msub></mml:math></inline-formula>, respectively.</p><sec id="s11-1"><title>1. Limiting cases</title><p>We start off by exploring the limiting cases first. From the earlier derived <xref ref-type="disp-formula" rid="equ25">Equation S14</xref> and <xref ref-type="disp-formula" rid="equ26">Equation S15</xref>, we know that the complex density at <inline-formula><mml:math id="inf364"><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in very low (<inline-formula><mml:math id="inf365"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:msub></mml:msub><mml:mo>≫</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>) and very high (<inline-formula><mml:math id="inf366"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:msub></mml:msub><mml:mo>≪</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>) substrate localization regimes is given by<disp-formula id="equ80"><mml:math id="m80"><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mrow><mml:mtable columnalign="right left right left right left right left right left right left" columnspacing="0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em" displaystyle="true" rowspacing="3pt"><mml:mlabeledtr><mml:mtd><mml:mtext>(S79)</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow/><mml:msubsup><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mtd><mml:mtd><mml:mi/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>on</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>E</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>off</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mfrac><mml:mspace width="1em"/><mml:mtext>and</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd/></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr><mml:mtd><mml:mtext>(S80)</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>ideal</mml:mtext></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:mi/><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>×</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>sinh</mml:mi><mml:mo>⁡</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd/></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:mstyle></mml:math></disp-formula>respectively. Note that the complex density in the ideal localization case is necessarily lower than that in the case of a uniform profile, since the inequality <inline-formula><mml:math id="inf367"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>sinh</mml:mi><mml:mo>⁡</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:msub></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:msub></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> holds for all choices of <inline-formula><mml:math id="inf368"><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:msub></mml:msub></mml:math></inline-formula>. If <inline-formula><mml:math id="inf369"><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>R</mml:mtext></mml:msub></mml:msub></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="inf370"><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>W</mml:mtext></mml:msub></mml:msub></mml:math></inline-formula> are not constrained to be equal, then the highest fidelity for a given <inline-formula><mml:math id="inf371"><mml:msub><mml:mi>τ</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> will be attained when the right substrates are distributed uniformly while the wrong substrates are highly localized (<inline-formula><mml:math id="inf372"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>R</mml:mtext></mml:msub></mml:msub><mml:mo>≫</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="inf373"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>W</mml:mtext></mml:msub></mml:msub><mml:mo>≪</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, respectively). We obtain the fidelity in this case as<disp-formula id="equ81"><mml:math id="m81"><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mrow><mml:mtable columnalign="right left right left right left right left right left right left" columnspacing="0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em" displaystyle="true" rowspacing="3pt"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow/><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:msup><mml:mi>η</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>max</mml:mtext></mml:mrow></mml:msup></mml:mstyle></mml:mtd><mml:mtd><mml:mi/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:msubsup><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ER</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>EW</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>ideal</mml:mtext></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mi/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:msubsup><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ER</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>EW</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mfrac><mml:mo>×</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>sinh</mml:mi><mml:mo>⁡</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>EW</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>EW</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mtd></mml:mtr><mml:mlabeledtr><mml:mtd><mml:mtext>(S81)</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mi/><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>η</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>eq</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>×</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>sinh</mml:mi><mml:mo>⁡</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>EW</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>EW</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo stretchy="false">⇒</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd/></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr><mml:mtd><mml:mtext>(S82)</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mfrac><mml:msup><mml:mi>η</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>max</mml:mtext></mml:mrow></mml:msup><mml:msub><mml:mi>η</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>eq</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mfrac></mml:mtd><mml:mtd><mml:mi/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>sinh</mml:mi><mml:mo>⁡</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>EW</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>EW</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>≡</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>sinh</mml:mi><mml:mo>⁡</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msqrt><mml:msub><mml:mi>τ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>off</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>W</mml:mtext></mml:mrow></mml:msubsup></mml:msqrt><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:msqrt><mml:msub><mml:mi>τ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>off</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>W</mml:mtext></mml:mrow></mml:msubsup></mml:msqrt></mml:mfrac><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd/></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:mstyle></mml:math></disp-formula></p><p>Notably, this result for maximum fidelity enhancement is independent of <inline-formula><mml:math id="inf374"><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mtext>off</mml:mtext><mml:mtext>R</mml:mtext></mml:msubsup></mml:math></inline-formula>. Furthermore, it exceeds the ideal localization fidelity reported in the main text (<xref ref-type="disp-formula" rid="equ5">Equation 5</xref>, derived in the <inline-formula><mml:math id="inf375"><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:mstyle></mml:math></inline-formula> limit), which was expected since now the right complexes on average travel a shorter distance to reach the activation site than the wrong complexes.</p><p>In the opposite scenario where the wrong substrates are uniformly distributed and the right ones are highly localized (<inline-formula><mml:math id="inf376"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>R</mml:mtext></mml:msub></mml:msub><mml:mo>≪</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="inf377"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>W</mml:mtext></mml:msub></mml:msub><mml:mo>≫</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, respectively), the system attains its lowest fidelity for a given <inline-formula><mml:math id="inf378"><mml:msub><mml:mi>τ</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula>, namely,<disp-formula id="equ82"><mml:math id="m82"><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mrow><mml:mtable columnalign="right left right left right left right left right left right left" columnspacing="0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em" displaystyle="true" rowspacing="3pt"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow/><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:msup><mml:mi>η</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>min</mml:mtext></mml:mrow></mml:msup></mml:mstyle></mml:mtd><mml:mtd><mml:mi/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ER</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>ideal</mml:mtext></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>EW</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mfrac><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:msubsup><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ER</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>EW</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mfrac><mml:mo>×</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ER</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>sinh</mml:mi><mml:mo>⁡</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ER</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mtd></mml:mtr><mml:mlabeledtr><mml:mtd><mml:mtext>(S83)</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mi/><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>η</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>eq</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>×</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ER</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>sinh</mml:mi><mml:mo>⁡</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ER</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo stretchy="false">⇒</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd/></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr><mml:mtd><mml:mtext>(S84)</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mfrac><mml:msup><mml:mi>η</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>min</mml:mtext></mml:mrow></mml:msup><mml:msub><mml:mi>η</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>eq</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mfrac></mml:mtd><mml:mtd><mml:mi/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ER</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>sinh</mml:mi><mml:mo>⁡</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ER</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:msqrt><mml:msub><mml:mi>τ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>off</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>R</mml:mtext></mml:mrow></mml:msubsup></mml:msqrt><mml:mrow><mml:mi>sinh</mml:mi><mml:mo>⁡</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msqrt><mml:msub><mml:mi>τ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>off</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>R</mml:mtext></mml:mrow></mml:msubsup></mml:msqrt><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd/></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:mstyle></mml:math></disp-formula></p><p>Since <inline-formula><mml:math id="inf379"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>ER</mml:mtext></mml:msub></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>&lt;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>sinh</mml:mi><mml:mo>⁡</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>ER</mml:mtext></mml:msub></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, the lowest fidelity is less than the equilibrium fidelity itself (<inline-formula><mml:math id="inf380"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>η</mml:mi><mml:mtext>min</mml:mtext></mml:msup><mml:mo>&lt;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>η</mml:mi><mml:mtext>eq</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>), suggesting that the enzyme may in fact do <italic>anti-proofreading</italic> (<xref ref-type="bibr" rid="bib33">Murugan et al., 2014</xref>) if the wrong substrates are generally closer to the catalytic site.</p></sec><sec id="s11-2"><title>2. Intermediate levels of substrate localization</title><p>In <xref ref-type="fig" rid="fig3">Figure 3</xref> inset as well as in Appendix 1.4, we explored the dependence of fidelity on the substrate localization length scale <inline-formula><mml:math id="inf381"><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:msub></mml:msub></mml:math></inline-formula> when it was the same for the two substrate kinds. Here, we expand this study to the case where this constraint is relaxed.</p><p>In particular, using <xref ref-type="disp-formula" rid="equ35">Equation S24</xref>, we calculate complex densities and corresponding fidelity values as a function of <inline-formula><mml:math id="inf382"><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>R</mml:mtext></mml:msub></mml:msub></mml:math></inline-formula> for different fixed choices of the length scale ratio <inline-formula><mml:math id="inf383"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>R</mml:mtext></mml:msub></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>W</mml:mtext></mml:msub></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. The results of the study are captured in <xref ref-type="fig" rid="app4fig1">Appendix 4—figure 1</xref>. In the special case where the two length scales are equal (<inline-formula><mml:math id="inf384"><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>R</mml:mtext></mml:msub></mml:msub></mml:math></inline-formula> = <inline-formula><mml:math id="inf385"><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>W</mml:mtext></mml:msub></mml:msub></mml:math></inline-formula>, solid black line), fidelity exhibits a monotonic depends on <inline-formula><mml:math id="inf386"><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>R</mml:mtext></mml:msub></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and in the limit of ideal localization (very large <inline-formula><mml:math id="inf387"><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>R</mml:mtext></mml:msub></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>) the result in <xref ref-type="disp-formula" rid="equ5">Equation 5</xref> of the main text is recovered.</p><p>When <inline-formula><mml:math id="inf388"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>R</mml:mtext></mml:msub></mml:msub><mml:mo>≠</mml:mo><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>W</mml:mtext></mml:msub></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, the dependence of fidelity on <inline-formula><mml:math id="inf389"><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>R</mml:mtext></mml:msub></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is no longer monotonic. If right substrates are more localized than the wrong ones (red curves), then the fidelity curves have a minimum where the enzyme does anti-proofreading (i.e. <inline-formula><mml:math id="inf390"><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mo>&lt;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>η</mml:mi><mml:mtext>eq</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>). The proofreading portion of the curves (when <inline-formula><mml:math id="inf391"><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>η</mml:mi><mml:mtext>eq</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>) is shifted to the right, suggesting that much higher substrate localization is needed for the enzyme to proofread.</p><p>The opposite case is when the right substrates have a shallower gradient than the wrong ones (blue curves). The fidelity curves are now shifted to the left and have a peak that is greater than the large <inline-formula><mml:math id="inf392"><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>R</mml:mtext></mml:msub></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> limit of fidelity. This means that there is an optimal degree of substrate localization, going beyond which makes the model performance worse in terms of both error correction and energy consumption.</p><fig id="app4fig1" position="float"><label>Appendix 4—figure 1.</label><caption><title>Fidelity as a function of <inline-formula><mml:math id="inf393"><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>R</mml:mtext></mml:msub></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> for different choices of the ratio <inline-formula><mml:math id="inf394"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>R</mml:mtext></mml:msub></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>W</mml:mtext></mml:msub></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</title><p>The solid black line corresponds to the earlier studied regime where substrates had identical localization length scales. The blue curves represent the cases where <inline-formula><mml:math id="inf395"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>R</mml:mtext></mml:msub></mml:msub><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>W</mml:mtext></mml:msub></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, while the red curves represent the cases where <inline-formula><mml:math id="inf396"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>R</mml:mtext></mml:msub></mml:msub><mml:mo>&lt;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>W</mml:mtext></mml:msub></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Numbers next to the curves correspond to the <inline-formula><mml:math id="inf397"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>R</mml:mtext></mml:msub></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>W</mml:mtext></mml:msub></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> ratios used for generating them. Expressions for the highest and lowest fidelity values, as well as the fidelity expression in the limit where both substrates are highly localized are shown on the right side of the figure. <inline-formula><mml:math id="inf398"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>τ</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mpadded width="+1.7pt"><mml:mn>40</mml:mn></mml:mpadded><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>τ</mml:mi><mml:mtext>off</mml:mtext><mml:mtext>R</mml:mtext></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="inf399"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>η</mml:mi><mml:mtext>eq</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>10</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> were used for demonstration.</p></caption><graphic mime-subtype="tiff" mimetype="image" xlink:href="elife-60415-app4-fig1-v2.tif"/></fig><p>Over the course of its diffusive transport, a bound enzyme is more likely to deposit a right substrate in a substrate-depleted region than a wrong one, because right substrates stay attached to the enzyme for a longer time. Therefore, if the gradient-maintaining mechanism does not discriminate between substrates (which we assume is the case for the kinase/phosphatase-based one), then it will be easier for it to maintain the wrong ones localized since they tend to get deposited closer to the localization site (see <xref ref-type="fig" rid="app6fig1">Appendix 6—figure 1c</xref> as an example). This means that in a realistic setting the spatial organization of substrates is more likely to be in the advantageous blue region of <xref ref-type="fig" rid="app4fig1">Appendix 4—figure 1</xref> where <inline-formula><mml:math id="inf400"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>R</mml:mtext></mml:msub></mml:msub><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>W</mml:mtext></mml:msub></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, facilitating the realization of spatial proofreading.</p></sec></sec></boxed-text></app><app id="appendix-5"><title>Appendix 5</title><boxed-text><sec id="s12" sec-type="appendix"><title>Studies on the validity of the uniform free enzyme profile assumption</title><p>In our treatment of the model so far, we have assumed for mathematical convenience that free enzymes are in excess, which suggested the approximation <inline-formula><mml:math id="inf401"><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>E</mml:mtext></mml:msub></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>≈</mml:mo><mml:mtext>constant</mml:mtext></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Example enzyme density profiles shown in <xref ref-type="fig" rid="app5fig1">Appendix 5—figure 1</xref>, however, demonstrate that this assumption does not hold in general. Specifically, there is a depletion of free enzymes near the substrate localization site and abundance near the catalysis site. Because of this depletion at the leftmost edge, we expect a reduction in speed in comparison with our earlier treatment where a flat profile was assumed. In addition, if substrates have a weak gradient, we expect the fidelity to also be reduced, since more enzymes will bind substrates at intermediate positions, reducing the average travel distance to the catalytic site. In what follows, we discuss in greater detail the consequences of having a nonuniform free enzyme distribution on the model performance.</p><fig id="app5fig1" position="float"><label>Appendix 5—figure 1.</label><caption><title>Example profiles of free and substrate-bound enzymes.</title><p>Enzyme profiles are normalized so that the sum of areas under the curves is unity. The substrate profile (rescaled on the <italic>y</italic>-axis) is shown in transparent gray.</p></caption><graphic mime-subtype="tiff" mimetype="image" xlink:href="elife-60415-app5-fig1-v2.tif"/></fig><sec id="s12-1"><title>1. Effects that relaxing the <inline-formula><mml:math id="inf402"><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>E</mml:mtext></mml:msub></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>≈</mml:mo><mml:mtext>constant</mml:mtext></mml:mrow></mml:math></inline-formula> assumption has on the Pareto front</title><p>We begin by studying the effects of relaxing the uniform free enzyme profile assumption on the Pareto front of the speed–fidelity trade-off (<xref ref-type="fig" rid="fig3">Figure 3a</xref> of the main text). This front is reached in the ideal substrate localization limit (<inline-formula><mml:math id="inf403"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:msub></mml:msub><mml:mo>→</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>). Though in general enzyme profiles need to be obtained using numerical methods due to the nonlinearity of reaction–diffusion equations, in this particular limit (<inline-formula><mml:math id="inf404"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:msub></mml:msub><mml:mo>→</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>) an analytical solution is available. To obtain it, we write the reaction–diffusion equations in the bulk region of space as<disp-formula id="equ83"><mml:math id="m83"><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mrow><mml:mtable columnalign="right left right left right left right left right left right left" columnspacing="0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em" displaystyle="true" rowspacing="3pt"><mml:mlabeledtr><mml:mtd><mml:mtext>(S85)</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow/><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">∂</mml:mi><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi/><mml:mrow><mml:mtext>ER</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">∂</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mtd><mml:mtd><mml:mi/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>D</mml:mi><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">∂</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi/><mml:mrow><mml:mtext>ER</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">∂</mml:mi><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>−</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>off</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>R</mml:mtext></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi/><mml:mrow><mml:mtext>ER</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd/></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr><mml:mtd><mml:mtext>(S86)</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">∂</mml:mi><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi/><mml:mrow><mml:mtext>EW</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">∂</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mtd><mml:mtd><mml:mi/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>D</mml:mi><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">∂</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi/><mml:mrow><mml:mtext>EW</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">∂</mml:mi><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>−</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>off</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>W</mml:mtext></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi/><mml:mrow><mml:mtext>EW</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd/></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr><mml:mtd><mml:mtext>(S87)</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">∂</mml:mi><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi/><mml:mrow><mml:mtext>E</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">∂</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mtd><mml:mtd><mml:mi/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>D</mml:mi><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">∂</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi/><mml:mrow><mml:mtext>E</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">∂</mml:mi><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>+</mml:mo><mml:munder><mml:mo>∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mtext>S</mml:mtext><mml:mo>=</mml:mo><mml:mtext>R</mml:mtext><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>W</mml:mtext></mml:mrow></mml:munder><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>off</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi/><mml:mrow><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd/></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:mstyle></mml:math></disp-formula></p><p>Substrate binding reactions did not enter the above equations, as they occur at the leftmost boundary only. They are instead accounted for via boundary conditions, which read<disp-formula id="equ84"><mml:math id="m84"><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mrow><mml:mtable columnalign="right left right left right left right left right left right left" columnspacing="0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em" displaystyle="true" rowspacing="3pt"><mml:mlabeledtr><mml:mtd><mml:mtext>(S88)</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow/><mml:mo>−</mml:mo><mml:mi>D</mml:mi><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">∂</mml:mi><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="false" scriptlevel="2"><mml:mi mathvariant="normal">E</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">R</mml:mi></mml:mstyle></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">∂</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mrow><mml:mo maxsize="2.047em" minsize="2.047em">|</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd><mml:mi/><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">o</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">t</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">o</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">a</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="false" scriptlevel="2"><mml:mi mathvariant="normal">E</mml:mi></mml:mstyle></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd/></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr><mml:mtd><mml:mtext>(S89)</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mo>−</mml:mo><mml:mi>D</mml:mi><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">∂</mml:mi><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="false" scriptlevel="2"><mml:mi mathvariant="normal">E</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">W</mml:mi></mml:mstyle></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">∂</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mrow><mml:mo maxsize="2.047em" minsize="2.047em">|</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd><mml:mi/><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">o</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">t</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">o</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">t</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">a</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="false" scriptlevel="2"><mml:mi mathvariant="normal">E</mml:mi></mml:mstyle></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd/></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr><mml:mtd><mml:mtext>(S90)</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mo>−</mml:mo><mml:mi>D</mml:mi><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">∂</mml:mi><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="false" scriptlevel="2"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">E</mml:mi></mml:mrow></mml:mstyle></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">∂</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mrow><mml:mo maxsize="2.047em" minsize="2.047em">|</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd><mml:mi/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>−</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">o</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">t</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">o</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">t</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">a</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="false" scriptlevel="2"><mml:mi mathvariant="normal">E</mml:mi></mml:mstyle></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd/></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:mstyle></mml:math></disp-formula>where <inline-formula><mml:math id="inf405"><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mtext>total</mml:mtext></mml:msub></mml:math></inline-formula> is the total amount of free substrate of each kind concentrated at <inline-formula><mml:math id="inf406"><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p><sec id="s12-1-1"><title>Relating local enzyme concentrations</title><p>Considering the system at steady state, we add <xref ref-type="disp-formula" rid="equ83">Equations S85-S87</xref> and obtain<disp-formula id="equ85"><label>(S91)</label><mml:math id="m85"><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>D</mml:mi><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="false" scriptlevel="2"><mml:mi mathvariant="normal">E</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">R</mml:mi></mml:mstyle></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi></mml:mrow><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>D</mml:mi><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="false" scriptlevel="2"><mml:mi mathvariant="normal">E</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">W</mml:mi></mml:mstyle></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi></mml:mrow><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>D</mml:mi><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="false" scriptlevel="2"><mml:mi mathvariant="normal">E</mml:mi></mml:mstyle></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi></mml:mrow><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mstyle></mml:math></disp-formula>where we replaced the partial derivatives with total derivative since the profiles are time-independent. Dividing <xref ref-type="disp-formula" rid="equ85">Equation S91</xref> by <italic>D</italic> and integrating once, we find<disp-formula id="equ86"><label>(S92)</label><mml:math id="m86"><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ER</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>EW</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>E</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mstyle></mml:math></disp-formula></p><p>The above relation must hold for arbitrary position <italic>x</italic>. Choosing <inline-formula><mml:math id="inf407"><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and noting that from <xref ref-type="disp-formula" rid="equ84 equ84 equ84">Equations S88-S90</xref> the sum of fluxes should be zero, we can claim that <inline-formula><mml:math id="inf408"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Integrating for the second time, we obtain<disp-formula id="equ87"><label>(S93)</label><mml:math id="m87"><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="false" scriptlevel="2"><mml:mi mathvariant="normal">E</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">R</mml:mi></mml:mstyle></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="false" scriptlevel="2"><mml:mi mathvariant="normal">E</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">W</mml:mi></mml:mstyle></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="false" scriptlevel="2"><mml:mi mathvariant="normal">E</mml:mi></mml:mstyle></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mstyle></mml:math></disp-formula>where <italic>C</italic><sub>2</sub> is now a different constant. To find it, we perform an integral for the last time across the entire compartment, namely,<disp-formula id="equ88"><label>(S94)</label><mml:math id="m88"><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mo>∫</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo maxsize="1.2em" minsize="1.2em">(</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="false" scriptlevel="2"><mml:mi mathvariant="normal">E</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">R</mml:mi></mml:mstyle></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="false" scriptlevel="2"><mml:mi mathvariant="normal">E</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">W</mml:mi></mml:mstyle></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="false" scriptlevel="2"><mml:mi mathvariant="normal">E</mml:mi></mml:mstyle></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mrow><mml:mo maxsize="1.2em" minsize="1.2em">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">t</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">o</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">t</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">a</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mstyle></mml:math></disp-formula></p><p>Here, we introduced the parameter <inline-formula><mml:math id="inf409"><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mtext>total</mml:mtext></mml:msub></mml:math></inline-formula> as the total number of enzymes in the system (in free or bound forms). The constant <italic>C</italic><sub>2</sub>, which we will rename into <inline-formula><mml:math id="inf410"><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub></mml:math></inline-formula>, is then the average enzyme density, that is,<disp-formula id="equ89"><label>(S95)</label><mml:math id="m89"><mml:mtable columnspacing="5pt" displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd columnalign="right"><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mtext>total</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd/></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula></p><p>Substituting this result into <xref ref-type="disp-formula" rid="equ87">Equation S93</xref>, we find an insightful relation between free and bound enzyme densities at an arbitrary position, namely,<disp-formula id="equ90"><label>(S96)</label><mml:math id="m90"><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="false" scriptlevel="2"><mml:mi>E</mml:mi></mml:mstyle></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>−</mml:mo><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="false" scriptlevel="2"><mml:mi mathvariant="normal">E</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">R</mml:mi></mml:mstyle></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>−</mml:mo><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="false" scriptlevel="2"><mml:mi mathvariant="normal">E</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">W</mml:mi></mml:mstyle></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mstyle></mml:math></disp-formula></p><p>This relation suggests that whenever the local concentration of bound enzymes is high, the local concentration of free enzymes should be correspondingly low, as we see reflected in the profiles of <xref ref-type="fig" rid="app5fig1">Appendix 5—figure 1</xref>.</p></sec><sec id="s12-1-2"><title>Deriving the fidelity expression</title><p>Next, we consider <xref ref-type="disp-formula" rid="equ83">Equations S85 and S86</xref> separately at steady state, written in the form<disp-formula id="equ91"><label>(S97)</label><mml:math id="m91"><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi></mml:mrow><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>−</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>off</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0.</mml:mn></mml:mrow></mml:mstyle></mml:math></disp-formula></p><p>The general solution to this ODE reads<disp-formula id="equ92"><label>(S98)</label><mml:math id="m92"><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="false" scriptlevel="2"><mml:mi mathvariant="normal">E</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">S</mml:mi></mml:mstyle></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>C</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:msubsup><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>−</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="false" scriptlevel="2"><mml:mi mathvariant="normal">E</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">S</mml:mi></mml:mstyle></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>C</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn><mml:mtext> S</mml:mtext></mml:msubsup><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="false" scriptlevel="2"><mml:mi mathvariant="normal">E</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">S</mml:mi></mml:mstyle></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mstyle></mml:math></disp-formula>where <inline-formula><mml:math id="inf411"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:msub></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mtext>off</mml:mtext><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:msubsup></mml:mrow></mml:msqrt></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and <inline-formula><mml:math id="inf412"><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>C</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mstyle></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="inf413"><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>C</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mstyle></mml:math></inline-formula> (S = R,W) are constants which are different for right and wrong complexes. The no-flux boundary condition at <inline-formula><mml:math id="inf414"><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> can be used to relate these constants and simplify the complex profile expression, namely,<disp-formula id="equ93"><mml:math id="m93"><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mrow><mml:mtable columnalign="right left right left right left right left right left right left" columnspacing="0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em" displaystyle="true" rowspacing="3pt"><mml:mlabeledtr><mml:mtd><mml:mtext>(S99)</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow/><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mo>−</mml:mo><mml:mi>D</mml:mi><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mrow><mml:mo maxsize="2.047em" minsize="2.047em">|</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mstyle></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>−</mml:mo><mml:mfrac><mml:mi>D</mml:mi><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>−</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>C</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>−</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>C</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo stretchy="false">⇒</mml:mo></mml:mstyle></mml:mtd><mml:mtd/></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr><mml:mtd><mml:mtext>(S100)</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mi>C</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>−</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msup><mml:msubsup><mml:mi>C</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">⇒</mml:mo></mml:mstyle></mml:mtd><mml:mtd/></mml:mlabeledtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>C</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>−</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>C</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>−</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msup><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msup></mml:mstyle></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:msubsup><mml:mi>C</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>−</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>cosh</mml:mi><mml:mo>⁡</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>−</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mfrac><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mstyle></mml:mtd></mml:mtr><mml:mlabeledtr><mml:mtd><mml:mtext>(S101)</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>C</mml:mi><mml:mo stretchy="false">~</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mi>cosh</mml:mi><mml:mo>⁡</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>−</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mfrac><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mstyle></mml:mtd><mml:mtd/></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:mstyle></mml:math></disp-formula>where <inline-formula><mml:math id="inf415"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mover accent="true"><mml:mi>C</mml:mi><mml:mo stretchy="false">~</mml:mo></mml:mover><mml:mn>1</mml:mn><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>C</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:msubsup><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:msub></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is a new constant coefficient introduced for convenience.</p><p>Now, the fidelity of the scheme is the ratio of right and wrong complex densities at <inline-formula><mml:math id="inf416"><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Using the result above, the fidelity can be written as<disp-formula id="equ94"><label>(S102)</label><mml:math id="m94"><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mrow><mml:mtable columnalign="right left" columnspacing="1em" rowspacing="4pt"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>η</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ER</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>EW</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>C</mml:mi><mml:mo stretchy="false">~</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>R</mml:mtext></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>C</mml:mi><mml:mo stretchy="false">~</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>W</mml:mtext></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mfrac><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:mstyle></mml:math></disp-formula></p><p>The ratio of these constant coefficients can be obtained by noting that the diffusive fluxes of right and wrong complexes at <inline-formula><mml:math id="inf417"><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are identical (from <xref ref-type="disp-formula" rid="equ47 equ47">Equations S38 and S38)</xref>, that is,<disp-formula id="equ95"><mml:math id="m95"><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mrow><mml:mtable columnalign="right left right left right left right left right left right left" columnspacing="0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em" displaystyle="true" rowspacing="3pt"><mml:mlabeledtr><mml:mtd><mml:mtext>(S103)</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow/><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mo>−</mml:mo><mml:mi>D</mml:mi><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">∂</mml:mi><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ER</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">∂</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mrow><mml:mo maxsize="2.047em" minsize="2.047em">|</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mstyle></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>−</mml:mo><mml:mi>D</mml:mi><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">∂</mml:mi><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>EW</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">∂</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mrow><mml:mo maxsize="2.047em" minsize="2.047em">|</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">⇒</mml:mo></mml:mstyle></mml:mtd><mml:mtd/></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr><mml:mtd><mml:mtext>(S104)</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>C</mml:mi><mml:mo stretchy="false">~</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>R</mml:mtext></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>×</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>sinh</mml:mi><mml:mo>⁡</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ER</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ER</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mfrac></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>C</mml:mi><mml:mo stretchy="false">~</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>W</mml:mtext></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>×</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>sinh</mml:mi><mml:mo>⁡</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>EW</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>EW</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mfrac><mml:mo stretchy="false">⇒</mml:mo></mml:mstyle></mml:mtd><mml:mtd/></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr><mml:mtd><mml:mtext>(S105)</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mfrac><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>C</mml:mi><mml:mo stretchy="false">~</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>R</mml:mtext></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>C</mml:mi><mml:mo stretchy="false">~</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>W</mml:mtext></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mfrac></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ER</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>EW</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>sinh</mml:mi><mml:mo>⁡</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>EW</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>sinh</mml:mi><mml:mo>⁡</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ER</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>.</mml:mo></mml:mstyle></mml:mtd><mml:mtd/></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:mstyle></mml:math></disp-formula></p><p>Substituting this result into <xref ref-type="disp-formula" rid="equ94">Equation S102</xref>, and recalling the equality <inline-formula><mml:math id="inf418"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:msub></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msqrt><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>τ</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mtext>off</mml:mtext><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:msubsup></mml:mrow></mml:msqrt></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, we obtain<disp-formula id="equ96"><label>(S106)</label><mml:math id="m96"><mml:mtable columnspacing="5pt" displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd columnalign="right"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:msqrt><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>τ</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mtext>off</mml:mtext><mml:mtext>W</mml:mtext></mml:msubsup></mml:mrow></mml:msqrt><mml:msqrt><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>τ</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mtext>off</mml:mtext><mml:mtext>R</mml:mtext></mml:msubsup></mml:mrow></mml:msqrt></mml:mfrac><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>sinh</mml:mi><mml:mo>⁡</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msqrt><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>τ</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mtext>off</mml:mtext><mml:mtext>W</mml:mtext></mml:msubsup></mml:mrow></mml:msqrt><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>sinh</mml:mi><mml:mo>⁡</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msqrt><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>τ</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mtext>off</mml:mtext><mml:mtext>R</mml:mtext></mml:msubsup></mml:mrow></mml:msqrt><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:msqrt><mml:msub><mml:mi>η</mml:mi><mml:mtext>eq</mml:mtext></mml:msub></mml:msqrt><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>sinh</mml:mi><mml:mo>⁡</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msqrt><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>τ</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mtext>off</mml:mtext><mml:mtext>W</mml:mtext></mml:msubsup></mml:mrow></mml:msqrt><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>sinh</mml:mi><mml:mo>⁡</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msqrt><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>τ</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mtext>off</mml:mtext><mml:mtext>R</mml:mtext></mml:msubsup></mml:mrow></mml:msqrt><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd/></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula></p><p>This expression is identical to that in <xref ref-type="disp-formula" rid="equ31">Equation S20</xref> which was derived under the <inline-formula><mml:math id="inf419"><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>E</mml:mtext></mml:msub></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>≈</mml:mo><mml:mtext>constant</mml:mtext></mml:mrow></mml:math></inline-formula> assumption, suggesting that when substrates are highly localized, the shape of the free enzyme profile does not dictate the fidelity.</p></sec><sec id="s12-1-3"><title>Deriving the speed expression</title><p>To keep the expression of speed compact while still illustrating the key consequences of relaxing the <inline-formula><mml:math id="inf420"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>≈</mml:mo><mml:mtext>constant</mml:mtext></mml:mrow></mml:math></inline-formula> assumption, we will assume moving forward that the density of wrong complexes is much lower than that of the right complexes, that is, <inline-formula><mml:math id="inf421"><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>EW</mml:mtext></mml:msub></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>≪</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>ER</mml:mtext></mml:msub></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. This assumption holds as long as the right and wrong complexes have sufficiently different off-rates. To see why it is the case, note that the ratio <inline-formula><mml:math id="inf422"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>EW</mml:mtext></mml:msub></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>ER</mml:mtext></mml:msub></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the highest at <inline-formula><mml:math id="inf423"><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. We therefore calculate an upper bound for the ratio using <xref ref-type="disp-formula" rid="equ93">Equation S101</xref> and <xref ref-type="disp-formula" rid="equ95">Equation S105</xref> as<disp-formula id="equ97"><label>(S107)</label><mml:math id="m97"><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mrow><mml:mtable columnalign="right left" columnspacing="1em" rowspacing="4pt"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="false" scriptlevel="2"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">E</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">W</mml:mi></mml:mrow></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="false" scriptlevel="2"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">E</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">R</mml:mi></mml:mrow></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>&lt;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="false" scriptlevel="2"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">E</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">W</mml:mi></mml:mrow></mml:mstyle></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="false" scriptlevel="2"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">E</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">R</mml:mi></mml:mrow></mml:mstyle></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="false" scriptlevel="2"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">E</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">W</mml:mi></mml:mrow></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="false" scriptlevel="2"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">E</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">R</mml:mi></mml:mrow></mml:mstyle></mml:mrow></mml:msub></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>tanh</mml:mi><mml:mo>⁡</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="false" scriptlevel="2"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">E</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">R</mml:mi></mml:mrow></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>tanh</mml:mi><mml:mo>⁡</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="false" scriptlevel="2"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">E</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">W</mml:mi></mml:mrow></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>&lt;</mml:mo><mml:mfrac><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="false" scriptlevel="2"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">E</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">W</mml:mi></mml:mrow></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="false" scriptlevel="2"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">E</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">R</mml:mi></mml:mrow></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:mfrac><mml:mo>=</mml:mo><mml:msqrt><mml:mfrac><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>off</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>R</mml:mtext></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>off</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>W</mml:mtext></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mfrac></mml:msqrt><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:msqrt><mml:msub><mml:mi>η</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>eq</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:msqrt></mml:mfrac><mml:mo>.</mml:mo></mml:mstyle></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:mstyle></mml:math></disp-formula></p><p>As long as <inline-formula><mml:math id="inf424"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>η</mml:mi><mml:mtext>eq</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>≳</mml:mo><mml:mn>10</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, it is fair to assume that the right complexes greatly outnumber the wrong ones, which allows us to approximate the free enzyme density from <xref ref-type="disp-formula" rid="equ90">Equation S96</xref> as <inline-formula><mml:math id="inf425"><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>E</mml:mtext></mml:msub></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>≈</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>ER</mml:mtext></mml:msub></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p><p>The specification of the right complex density profile requires the knowledge of the unknown coefficient <inline-formula><mml:math id="inf426"><mml:msubsup><mml:mover accent="true"><mml:mi>C</mml:mi><mml:mo stretchy="false">~</mml:mo></mml:mover><mml:mn>1</mml:mn><mml:mtext>R</mml:mtext></mml:msubsup></mml:math></inline-formula>. To find this coefficient, we use the boundary condition in <xref ref-type="disp-formula" rid="equ84">Equation S88</xref> and the approximation <inline-formula><mml:math id="inf427"><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>E</mml:mtext></mml:msub></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>≈</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>ER</mml:mtext></mml:msub></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> to write<disp-formula id="equ98"><mml:math id="m98"><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mrow><mml:mtable columnalign="right left right left right left right left right left right left" columnspacing="0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em" displaystyle="true" rowspacing="3pt"><mml:mlabeledtr><mml:mtd><mml:mtext>(S108)</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow/><mml:mi>D</mml:mi><mml:mfrac><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>C</mml:mi><mml:mo stretchy="false">~</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>R</mml:mtext></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ER</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mfrac><mml:mi>sinh</mml:mi><mml:mo>⁡</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ER</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mo>=</mml:mo><mml:mtext> </mml:mtext><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>on</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>total</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>−</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>C</mml:mi><mml:mo stretchy="false">~</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>R</mml:mtext></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mi>cosh</mml:mi><mml:mo>⁡</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ER</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⇒</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd/></mml:mlabeledtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>C</mml:mi><mml:mo stretchy="false">~</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>R</mml:mtext></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mtd><mml:mtd><mml:mi/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>on</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>total</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mi>D</mml:mi><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ER</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mfrac><mml:mi>sinh</mml:mi><mml:mo>⁡</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ER</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>on</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>total</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>cosh</mml:mi><mml:mo>⁡</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ER</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>on</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>total</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ER</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>off</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>R</mml:mtext></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mi>sinh</mml:mi><mml:mo>⁡</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ER</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>on</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>total</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>cosh</mml:mi><mml:mo>⁡</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ER</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mtd></mml:mtr><mml:mlabeledtr><mml:mtd><mml:mtext>(S109)</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mi/><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>×</mml:mo><mml:mfrac><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>on</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>total</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>off</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>R</mml:mtext></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mi>L</mml:mi><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ER</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>cosh</mml:mi><mml:mo>⁡</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ER</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>sinh</mml:mi><mml:mo>⁡</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ER</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>on</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>total</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>off</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>R</mml:mtext></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mfrac><mml:mo>×</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ER</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>sinh</mml:mi><mml:mo>⁡</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ER</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd/></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:mstyle></mml:math></disp-formula></p><p>With the constant coefficient known, the right complex density then becomes<disp-formula id="equ99"><label>(S110)</label><mml:math id="m99"><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ER</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>×</mml:mo><mml:mfrac><mml:mfrac><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>K</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>d</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>R</mml:mtext></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mi>L</mml:mi><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ER</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>cosh</mml:mi><mml:mo>⁡</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ER</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>sinh</mml:mi><mml:mo>⁡</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ER</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>K</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>d</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>R</mml:mtext></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mfrac></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>×</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ER</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>sinh</mml:mi><mml:mo>⁡</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ER</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mi>cosh</mml:mi><mml:mo>⁡</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>−</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ER</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mfrac><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mstyle></mml:math></disp-formula>where we used the definitions of the mean substrate density <inline-formula><mml:math id="inf428"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:msub></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mtext>total</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and the dissociation constant <inline-formula><mml:math id="inf429"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>K</mml:mi><mml:mtext>d</mml:mtext><mml:mtext>R</mml:mtext></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mtext>off</mml:mtext><mml:mtext>R</mml:mtext></mml:msubsup><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mtext>on</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p><p>To enable a direct parallel between this general treatment and the earlier one with the <inline-formula><mml:math id="inf430"><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>E</mml:mtext></mml:msub></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>≈</mml:mo><mml:mtext>constant</mml:mtext></mml:mrow></mml:math></inline-formula> approximation, let us introduce <inline-formula><mml:math id="inf431"><mml:msubsup><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>ER</mml:mtext></mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:msubsup></mml:math></inline-formula> as the uniform right complex density when diffusion is very fast (<inline-formula><mml:math id="inf432"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>ER</mml:mtext></mml:msub></mml:msub><mml:mo>≫</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>) and calculate it from <xref ref-type="disp-formula" rid="equ99">Equation S110</xref> as<disp-formula id="equ100"><label>(S111)</label><mml:math id="m100"><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ER</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>×</mml:mo><mml:mfrac><mml:mfrac><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>K</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>d</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>R</mml:mtext></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>K</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>d</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>R</mml:mtext></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mfrac></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mstyle></mml:math></disp-formula></p><p>Now, using the <inline-formula><mml:math id="inf433"><mml:msubsup><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>ER</mml:mtext></mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:msubsup></mml:math></inline-formula> expression, we rewrite <xref ref-type="disp-formula" rid="equ99">Equation S110</xref> as<disp-formula id="equ101"><label>(S112)</label><mml:math id="m101"><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mrow><mml:mtable columnalign="left left" columnspacing="1em" rowspacing="4pt"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ER</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mstyle></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>K</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>d</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>R</mml:mtext></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mi>L</mml:mi><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ER</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>cosh</mml:mi><mml:mo>⁡</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ER</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>sinh</mml:mi><mml:mo>⁡</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ER</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>K</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>d</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>R</mml:mtext></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mfrac></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>×</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ER</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>×</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ER</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>sinh</mml:mi><mml:mo>⁡</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ER</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mi>cosh</mml:mi><mml:mo>⁡</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>−</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ER</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mfrac><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mstyle></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>K</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>d</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>R</mml:mtext></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:munder><mml:mrow><mml:munder><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mi>L</mml:mi><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ER</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>cosh</mml:mi><mml:mo>⁡</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ER</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>sinh</mml:mi><mml:mo>⁡</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ER</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo>⏟</mml:mo></mml:munder></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>γ</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:mfrac><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>K</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>d</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>R</mml:mtext></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mfrac></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>×</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ER</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>const</mml:mtext></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mstyle></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:mstyle></mml:math></disp-formula>where <inline-formula><mml:math id="inf434"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>ER</mml:mtext></mml:msub><mml:mtext>const</mml:mtext></mml:msubsup><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the complex density obtained under the <inline-formula><mml:math id="inf435"><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>E</mml:mtext></mml:msub></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>≈</mml:mo><mml:mtext>constant</mml:mtext></mml:mrow></mml:math></inline-formula> assumption (<xref ref-type="disp-formula" rid="equ26">Equation S15</xref>). The extra factor that appears on front does not exceed 1 since <inline-formula><mml:math id="inf436"><mml:mrow><mml:mi>γ</mml:mi><mml:mo>≥</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, indicating a reduction in speed, as we anticipated in our more qualitative discussion at the beginning of the section. The presence of the extra factor suggests two possibilities for the approximation to hold true; first, <inline-formula><mml:math id="inf437"><mml:mrow><mml:mi>γ</mml:mi><mml:mo>≈</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> which happens when <inline-formula><mml:math id="inf438"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>ER</mml:mtext></mml:msub></mml:msub><mml:mo>≳</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> or when the right complex does not decay noticeably across the compartment, and second, when <inline-formula><mml:math id="inf439"><mml:mrow><mml:mi>γ</mml:mi><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="inf440"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:msub></mml:msub><mml:mo>≪</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>γ</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>K</mml:mi><mml:mtext>d</mml:mtext><mml:mtext>R</mml:mtext></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, which is when right complexes do decay but their fraction is low compared with free enzymes because of low substrate concentration.</p><p>Let us demonstrate the last statement more explicitly. Specifically, let us show that the validity of the approximation <inline-formula><mml:math id="inf441"><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>E</mml:mtext></mml:msub></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>≈</mml:mo><mml:mtext>constant</mml:mtext></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is indeed linked directly to the fraction of bound enzymes. To that end, we evaluate <inline-formula><mml:math id="inf442"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>E</mml:mtext></mml:msub></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>E</mml:mtext></mml:msub></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> as a metric that quantifies the degree to which <inline-formula><mml:math id="inf443"><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>E</mml:mtext></mml:msub></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>≈</mml:mo><mml:mtext>constant</mml:mtext></mml:mrow></mml:math></inline-formula> holds. If there is a large depletion of free enzymes near the substrate-binding site, then the metric will be significantly less than 1; conversely, if the free enzyme profile is practically flat, then the metric will be close to 1. Invoking the relation <inline-formula><mml:math id="inf444"><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>E</mml:mtext></mml:msub></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>≈</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>ER</mml:mtext></mml:msub></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and using our result for the complex density (<xref ref-type="disp-formula" rid="equ99">Equation S110</xref>) as well as the definition of <inline-formula><mml:math id="inf445"><mml:mi>γ</mml:mi></mml:math></inline-formula> in <xref ref-type="disp-formula" rid="equ101">Equation S112</xref>, we evaluate this metric as<disp-formula id="equ102"><label>(S113)</label><mml:math id="m102"><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mrow><mml:mtable columnalign="left left" columnspacing="1em" rowspacing="4pt"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>E</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>E</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mtd><mml:mtd><mml:mo>≈</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>−</mml:mo><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ER</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>−</mml:mo><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ER</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>−</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>γ</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>K</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>d</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>R</mml:mtext></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>γ</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>K</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>d</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>R</mml:mtext></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>−</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>γ</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>K</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>d</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>R</mml:mtext></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>cosh</mml:mi><mml:mo>⁡</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ER</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>γ</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>K</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>d</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>R</mml:mtext></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>−</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mrow><mml:mi>cosh</mml:mi><mml:mo>⁡</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ER</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>γ</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>K</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>d</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>R</mml:mtext></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>.</mml:mo></mml:mstyle></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:mstyle></mml:math></disp-formula></p><p>Next, we calculate the fraction of bound enzymes <inline-formula><mml:math id="inf446"><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mtext>bound</mml:mtext></mml:msub></mml:math></inline-formula> from <xref ref-type="disp-formula" rid="equ99">Equation S110</xref> as<disp-formula id="equ103"><label>(S114)</label><mml:math id="m103"><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mrow><mml:mtable columnalign="left left" columnspacing="1em" rowspacing="4pt"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>bound</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mstyle></mml:mtd><mml:mtd><mml:mo>≈</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>total</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>−</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mo>∫</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ER</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mspace width="thinmathspace"/><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>total</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>K</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>d</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>R</mml:mtext></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>γ</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>K</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>d</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>R</mml:mtext></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>K</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>d</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>R</mml:mtext></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>γ</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>K</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>d</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>R</mml:mtext></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>.</mml:mo></mml:mstyle></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:mstyle></mml:math></disp-formula></p><p>Note that <inline-formula><mml:math id="inf447"><mml:msup><mml:mi>γ</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula> emerges as the highest fraction of bound enzymes (<inline-formula><mml:math id="inf448"><mml:msubsup><mml:mi>p</mml:mi><mml:mtext>bound</mml:mtext><mml:mtext>max</mml:mtext></mml:msubsup></mml:math></inline-formula>) reached in the large substrate concentration limit.</p><p>To link the metric <inline-formula><mml:math id="inf449"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>E</mml:mtext></mml:msub></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>E</mml:mtext></mml:msub></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> to the fraction of bound enzymes, we express <inline-formula><mml:math id="inf450"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:msub></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>K</mml:mi><mml:mtext>d</mml:mtext><mml:mtext>R</mml:mtext></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in terms of <inline-formula><mml:math id="inf451"><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mtext>bound</mml:mtext></mml:msub></mml:math></inline-formula> and substitute it into <xref ref-type="disp-formula" rid="equ102">Equation S113</xref>, namely,<disp-formula id="equ104"><mml:math id="m104"><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mrow><mml:mtable columnalign="right left right left right left right left right left right left" columnspacing="0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em" displaystyle="true" rowspacing="3pt"><mml:mlabeledtr><mml:mtd><mml:mtext>(S115)</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow/><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>K</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>d</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>R</mml:mtext></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mstyle></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>bound</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>−</mml:mo><mml:mi>γ</mml:mi><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>bound</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo stretchy="false">⇒</mml:mo></mml:mstyle></mml:mtd><mml:mtd/></mml:mlabeledtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>E</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>E</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>−</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mrow><mml:mi>cosh</mml:mi><mml:mo>⁡</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ER</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>γ</mml:mi><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>bound</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>−</mml:mo><mml:mi>γ</mml:mi><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>bound</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>−</mml:mo><mml:mi>γ</mml:mi><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>bound</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>−</mml:mo><mml:mi>γ</mml:mi><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>bound</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>−</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mrow><mml:mi>cosh</mml:mi><mml:mo>⁡</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ER</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>γ</mml:mi><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>bound</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>−</mml:mo><mml:mi>γ</mml:mi><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>bound</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>−</mml:mo><mml:mi>γ</mml:mi><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>bound</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>cosh</mml:mi><mml:mo>⁡</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ER</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mtd></mml:mtr><mml:mlabeledtr><mml:mtd><mml:mtext>(S116)</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>bound</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>max</mml:mtext></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>−</mml:mo><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>bound</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>bound</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>max</mml:mtext></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>−</mml:mo><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>bound</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>cosh</mml:mi><mml:mo>⁡</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ER</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>.</mml:mo></mml:mstyle></mml:mtd><mml:mtd/></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:mstyle></mml:math></disp-formula></p><p>Now, when the complexes do not decay appreciably across the compartment (<inline-formula><mml:math id="inf452"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>ER</mml:mtext></mml:msub></mml:msub><mml:mo>≳</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and thus, <inline-formula><mml:math id="inf453"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>cosh</mml:mi><mml:mo>⁡</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>ER</mml:mtext></mml:msub></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>≈</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>), the metric becomes roughly equal to 1, suggesting that the free enzyme profile is practically flat. A more interesting case is when the complexes do decay (<inline-formula><mml:math id="inf454"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>ER</mml:mtext></mml:msub></mml:msub><mml:mo>&lt;</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>), as in <xref ref-type="fig" rid="app5fig1">Appendix 5—figure 1</xref>. In this case, applying the condition <inline-formula><mml:math id="inf455"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>cosh</mml:mi><mml:mo>⁡</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>ER</mml:mtext></mml:msub></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>≫</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, we find<disp-formula id="equ105"><label>(S117)</label><mml:math id="m105"><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="false" scriptlevel="2"><mml:mi mathvariant="normal">E</mml:mi></mml:mstyle></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="false" scriptlevel="2"><mml:mi mathvariant="normal">E</mml:mi></mml:mstyle></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>≈</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>−</mml:mo><mml:mfrac><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="false" scriptlevel="2"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">b</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">o</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">u</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">n</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi></mml:mrow></mml:mstyle></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="false" scriptlevel="2"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">b</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">o</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">u</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">n</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi></mml:mrow></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="false" scriptlevel="2"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">a</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">x</mml:mi></mml:mrow></mml:mstyle></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mfrac><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mstyle></mml:math></disp-formula></p><p>The anti-correlation between the <inline-formula><mml:math id="inf456"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>E</mml:mtext></mml:msub></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>E</mml:mtext></mml:msub></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="inf457"><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mtext>bound</mml:mtext></mml:msub></mml:math></inline-formula> in the above result demonstrates that the degree to which the approximation <inline-formula><mml:math id="inf458"><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>E</mml:mtext></mml:msub></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>≈</mml:mo><mml:mtext>constant</mml:mtext></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is violated is indeed dictated by the fraction of bound enzymes.</p></sec><sec id="s12-1-4"><title>Pareto front shift</title><p>The previous calculations showed that in the ideal substrate localization limit relaxing the <inline-formula><mml:math id="inf459"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>≈</mml:mo><mml:mtext>constant</mml:mtext></mml:mrow></mml:math></inline-formula> assumption keeps the fidelity the same while the speed gets reduced. And this reduction is greater for higher substrate concentrations. We therefore expect a shift in the Pareto front when going to the high substrate concentration limit, as is illustrated in <xref ref-type="fig" rid="app5fig2">Appendix 5—figure 2a</xref>. To get more intuition about the effect of this shift caused by tuning the amount of substrates, we consider the effective number of proofreading realizations at half-maximum speed (<italic>n</italic><sub>50</sub>) and study how this number changes as a function of the fraction of enzymes bound (<inline-formula><mml:math id="inf460"><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mtext>bound</mml:mtext></mml:msub></mml:math></inline-formula>), which increases monotonically with <inline-formula><mml:math id="inf461"><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mtext>total</mml:mtext></mml:msub></mml:math></inline-formula> as suggested by <xref ref-type="disp-formula" rid="equ103">Equation S114</xref>. <xref ref-type="fig" rid="app5fig2">Appendix 5—figure 2b</xref> shows this dependence. As can be seen, <italic>n</italic><sub>50</sub> reduces roughly linearly with <inline-formula><mml:math id="inf462"><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mtext>bound</mml:mtext></mml:msub></mml:math></inline-formula>; for example, if 10% of the enzymes are bound, then a 10% reduction in <italic>n</italic><sub>50</sub> is expected. This suggests that as long as the fraction of bound enzymes is low, our findings related to the Pareto front made under the <inline-formula><mml:math id="inf463"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>E</mml:mtext></mml:msub></mml:msub><mml:mo>≈</mml:mo><mml:mtext>constant</mml:mtext></mml:mrow></mml:math></inline-formula> assumption will generally hold true.</p><fig id="app5fig2" position="float"><label>Appendix 5—figure 2.</label><caption><title>Consequences of relaxing the <inline-formula><mml:math id="inf464"><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>E</mml:mtext></mml:msub></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>≈</mml:mo><mml:mtext>constant</mml:mtext></mml:mrow></mml:math></inline-formula> assumption on the Pareto front.</title><p>(<bold>a</bold>) Pareto fronts in the low and high substrate concentration limits. (<bold>b</bold>) Reduction in the effective number of proofreading realizations at half-maximum speed as a function of the fraction of enzymes bound. <inline-formula><mml:math id="inf465"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>η</mml:mi><mml:mtext>eq</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>10</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> was used in making the plots.</p></caption><graphic mime-subtype="tiff" mimetype="image" xlink:href="elife-60415-app5-fig2-v2.tif"/></fig></sec></sec><sec id="s12-2"><title>2. Effects that relaxing the <inline-formula><mml:math id="inf466"><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>E</mml:mtext></mml:msub></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>≈</mml:mo><mml:mtext>constant</mml:mtext></mml:mrow></mml:math></inline-formula> assumption has on fidelity in a weak substrate gradient setting</title><p>In this section, we study how accounting for the spatial distribution of free enzymes affects our results on the model’s fidelity in the setting where substrates have a finite localization length scale <inline-formula><mml:math id="inf467"><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:msub></mml:msub></mml:math></inline-formula>. In this setting, <xref ref-type="disp-formula" rid="equ1 equ2 equ3">Equations (1–3)</xref> (in the main text) describing the system’s dynamics become a system of nonlinear equations, which we solve at steady state using numerical methods.</p><p>An example curve of how fidelity changes with tuning diffusion time scale in a finite <inline-formula><mml:math id="inf468"><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:msub></mml:msub></mml:math></inline-formula> setting is shown in <xref ref-type="fig" rid="app5fig3">Appendix 5—figure 3</xref>. As expected, the nonuniform free enzyme profile leads to a reduction in fidelity. This reduction is not significant when diffusion is relatively fast as in that case the free enzyme profile manages to flatten out rapidly. The reduction is not significant also in the very slow diffusion limit where binding events that lead to production primarily take place in the proximity of the activation region and hence, the nonuniform profile of free enzymes across the compartment has little impact on fidelity. The greatest reduction happens at intermediate diffusion time scales; in particular, when the system achieves its peak fidelity.</p><fig id="app5fig3" position="float"><label>Appendix 5—figure 3.</label><caption><title>Fidelity as a function of diffusion time scale calculated with and without making the <inline-formula><mml:math id="inf469"><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>E</mml:mtext></mml:msub></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>≈</mml:mo><mml:mtext>constant</mml:mtext></mml:mrow></mml:math></inline-formula> approximation.</title><p>The total number of free substrates is chosen so that <inline-formula><mml:math id="inf470"><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:msub></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>K</mml:mi><mml:mtext>d</mml:mtext><mml:mtext>R</mml:mtext></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. The substrate localization length scale used for generating the solid curves is <inline-formula><mml:math id="inf471"><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:msub></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0.04</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p></caption><graphic mime-subtype="tiff" mimetype="image" xlink:href="elife-60415-app5-fig3-v2.tif"/></fig><p>To quantify the extent of this highest reduction, we calculated the peak value of the effective number of proofreading realizations (<inline-formula><mml:math id="inf472"><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mtext>max</mml:mtext></mml:msub></mml:math></inline-formula>) for different free substrate amounts which regulate the fraction of bound enzymes (<inline-formula><mml:math id="inf473"><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mtext>bound</mml:mtext></mml:msub></mml:math></inline-formula>). The results obtained for different choices of <inline-formula><mml:math id="inf474"><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:msub></mml:msub></mml:math></inline-formula> are summarized in <xref ref-type="fig" rid="app5fig4">Appendix 5—figure 4</xref>. As can be seen, for the high substrate localization case (<inline-formula><mml:math id="inf475"><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:msub></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0.04</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>), there is a roughly linear dependence between <inline-formula><mml:math id="inf476"><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mtext>max</mml:mtext></mml:msub></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="inf477"><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mtext>bound</mml:mtext></mml:msub></mml:math></inline-formula>. The initial decrease in <inline-formula><mml:math id="inf478"><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mtext>max</mml:mtext></mml:msub></mml:math></inline-formula> with growing <inline-formula><mml:math id="inf479"><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mtext>bound</mml:mtext></mml:msub></mml:math></inline-formula> is even slower when substrates are less tightly localized (<inline-formula><mml:math id="inf480"><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:msub></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>0.10</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0.30</mml:mn></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula>).</p><fig id="app5fig4" position="float"><label>Appendix 5—figure 4.</label><caption><title>Reduction in the peak effective number of proofreading realizations as a function of <inline-formula><mml:math id="inf481"><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>bound</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mstyle></mml:math></inline-formula>.</title><p><inline-formula><mml:math id="inf482"><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">a</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">l</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">o</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">w</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mstyle></mml:math></inline-formula> represents the peak value of <inline-formula><mml:math id="inf483"><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mtext>eff</mml:mtext></mml:msub></mml:math></inline-formula> in the limit of low substrate concentration (the maximum of the solid blue curve in <xref ref-type="fig" rid="app5fig3">Appendix 5—figure 3</xref>).</p></caption><graphic mime-subtype="tiff" mimetype="image" xlink:href="elife-60415-app5-fig4-v2.tif"/></fig><p>Taken together, these results suggest that if the substrate concentration is low enough to leave most of the enzymes unbound, then our proposed scheme will proofread efficiently. And this requirement on substrate amount will be further relaxed if diffusion is fast, or if substrates are not very tightly localized.</p></sec></sec></boxed-text></app><app id="appendix-6"><title>Appendix 6</title><boxed-text><sec id="s13" sec-type="appendix"><title>Proofreading on a kinase/phosphatase-induced gradient</title><p>In this section, we introduce the mathematical modeling setup for the kinase/phosphatase-based gradient formation scheme and describe how its fidelity is calculated numerically. In the end, we discuss the energetics of setting up the substrate concentration gradient and link our calculations to the lower bounds on energy cost obtained earlier in Appendix 2.</p><sec id="s13-1"><title>1. Setup and estimation of fidelity</title><p>In the analysis thus far, we have imposed a gradient of free substrates and analyzed the proofreading capability of an enzyme acting on this gradient. In a living cell, gradients themselves are maintained by active cellular processes. However, the action of the enzyme – that is, binding a substrate in one spatial location, diffusing away, and releasing the substrate elsewhere – can destroy the gradient, and thereby lead to a loss of proofreading. Here, we analyze the consequences of free substrate depletion and gradient flattening caused by the enzyme.</p><p>We model the formation of a substrate gradient by a combination of localized activation and delocalized deactivation. We suppose that substrates can exist in phosphorylated or dephosphorylated forms, and that only the phosphorylated form is capable of binding to the enzyme. The substrates are phosphorylated by a kinase with rate <inline-formula><mml:math id="inf484"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mtext>kin</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0.2</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> s<sup>−1</sup>, and dephosphorylated by a phosphatase with rate <inline-formula><mml:math id="inf485"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mtext>p</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>5</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> s<sup>−1</sup>. Crucially, we assume that phosphatases are found everywhere in the domain of size <inline-formula><mml:math id="inf486"><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>∼</mml:mo><mml:mn>10</mml:mn></mml:mrow></mml:mstyle></mml:math></inline-formula> μm (a typical length scale in a eukaryotic cell), while kinases are localized to one end of the domain (at <inline-formula><mml:math id="inf487"><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>), as may occur naturally if kinases are bound to one of the membranes enclosing the domain.</p><p>The minimal dynamics of phosphorylated substrates and enzyme–substrate complexes is then given by<disp-formula id="equ106"><label>(S118)</label><mml:math id="m106"><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mrow><mml:mtable columnalign="left left" columnspacing="1em" rowspacing="4pt"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">∂</mml:mi><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="false" scriptlevel="2"><mml:mi mathvariant="normal">S</mml:mi></mml:mstyle></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">∂</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mspace width="thinmathspace"/></mml:mstyle></mml:mstyle></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>D</mml:mi><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="false" scriptlevel="2"><mml:mi mathvariant="normal">S</mml:mi></mml:mstyle></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>−</mml:mo><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>b</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="false" scriptlevel="2"><mml:mi mathvariant="normal">S</mml:mi></mml:mstyle></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="false" scriptlevel="2"><mml:mi mathvariant="normal">o</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">f</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">f</mml:mi></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">S</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="false" scriptlevel="2"><mml:mi mathvariant="normal">E</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">S</mml:mi></mml:mstyle></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>−</mml:mo><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>p</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="false" scriptlevel="2"><mml:mi mathvariant="normal">S</mml:mi></mml:mstyle></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mstyle></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">∂</mml:mi><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="false" scriptlevel="2"><mml:mi mathvariant="normal">E</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">S</mml:mi></mml:mstyle></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">∂</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mspace width="thinmathspace"/></mml:mstyle></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>D</mml:mi><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="false" scriptlevel="2"><mml:mi mathvariant="normal">E</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">S</mml:mi></mml:mstyle></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>b</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="false" scriptlevel="2"><mml:mi mathvariant="normal">S</mml:mi></mml:mstyle></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>−</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">o</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">f</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">f</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">S</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="false" scriptlevel="2"><mml:mi mathvariant="normal">E</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">S</mml:mi></mml:mstyle></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mstyle></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:mstyle></mml:math></disp-formula>augmented by the boundary conditions<disp-formula id="equ107"><label>(S119)</label><mml:math id="m107"><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mrow><mml:mtable columnalign="left left" columnspacing="1em" rowspacing="4pt"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mtext>Substrate phosphorylation: </mml:mtext><mml:mo>−</mml:mo><mml:mi>D</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>kin</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mstyle></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mtext>No-flux: </mml:mtext><mml:mo>−</mml:mo><mml:mi>D</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="false" scriptlevel="2"><mml:mi mathvariant="normal">S</mml:mi></mml:mstyle></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mo fence="false" stretchy="false">|</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>−</mml:mo><mml:mi>D</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="false" scriptlevel="2"><mml:mi mathvariant="normal">E</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">S</mml:mi></mml:mstyle></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mo fence="false" stretchy="false">|</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>−</mml:mo><mml:mi>D</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="false" scriptlevel="2"><mml:mi mathvariant="normal">E</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">S</mml:mi></mml:mstyle></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mo fence="false" stretchy="false">|</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0.</mml:mn></mml:mstyle></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:mstyle></mml:math></disp-formula></p><p>Here, we have supposed that the densities of free enzymes, dephosphorylated substrates, and phosphatases are fixed and uniform, and have absorbed them into the relevant rate constants (<inline-formula><mml:math id="inf488"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mtext>b</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mtext>on</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>E</mml:mtext></mml:msub></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="inf489"><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mtext>kin</mml:mtext></mml:msub></mml:math></inline-formula>, and <inline-formula><mml:math id="inf490"><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mtext>p</mml:mtext></mml:msub></mml:math></inline-formula>, respectively). For simplicity, we have also assumed that the free substrates and enzyme–substrate complexes have the same diffusion coefficient <inline-formula><mml:math id="inf491"><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:mstyle></mml:math></inline-formula> μm<sup>2</sup>/s. We note that accounting for distinct diffusivities of phosphorylated and unphosphorylated substrate forms (<xref ref-type="bibr" rid="bib25">Kholodenko, 2009</xref>) would affect the speed, while accounting for the slower diffusion of the enzyme–substrate complex would alter the estimates of both speed and fidelity of the model. One or several of these effects can be considered when studying a specific biological system where these microscopic details are known.</p><p>We numerically solve <xref ref-type="disp-formula" rid="equ106 equ107">Equations S118 and S119</xref> at steady state to obtain the concentration profiles. First, the equations of dynamics are made dimensionless by settings units of length and time by <italic>L</italic> (<inline-formula><mml:math id="inf492"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula>) and <inline-formula><mml:math id="inf493"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>τ</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi></mml:msub><mml:mo>≡</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>L</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (<inline-formula><mml:math id="inf494"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>τ</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula>), respectively. At steady state, the dimensionless equations read<disp-formula id="equ108"><label>(S120)</label><mml:math id="m108"><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mrow><mml:mtable columnalign="right left" columnspacing="1em" rowspacing="4pt"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:msup><mml:mrow><mml:mover><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="false" scriptlevel="2"><mml:mi mathvariant="normal">S</mml:mi></mml:mstyle></mml:mrow></mml:msub><mml:mspace width="thinmathspace"/></mml:mstyle></mml:mstyle></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>b</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>p</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="false" scriptlevel="2"><mml:mi mathvariant="normal">S</mml:mi></mml:mstyle></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>−</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">o</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">f</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">f</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">S</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="false" scriptlevel="2"><mml:mi mathvariant="normal">E</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">S</mml:mi></mml:mstyle></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mstyle></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:msup><mml:mrow><mml:mover><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="false" scriptlevel="2"><mml:mi mathvariant="normal">E</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">S</mml:mi></mml:mstyle></mml:mrow></mml:msub><mml:mspace width="thinmathspace"/></mml:mstyle></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>−</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>b</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="false" scriptlevel="2"><mml:mi mathvariant="normal">S</mml:mi></mml:mstyle></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">o</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">f</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">f</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">S</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="false" scriptlevel="2"><mml:mi mathvariant="normal">E</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">S</mml:mi></mml:mstyle></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mstyle></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:mstyle></mml:math></disp-formula>with boundary conditions<disp-formula id="equ109"><label>(S121)</label><mml:math id="m109"><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mrow><mml:mtable columnalign="right left" columnspacing="1em" rowspacing="4pt"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mrow><mml:mover><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="false" scriptlevel="2"><mml:mi mathvariant="normal">S</mml:mi></mml:mstyle></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mo fence="false" stretchy="false">|</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mspace width="thinmathspace"/></mml:mstyle></mml:mstyle></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>−</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>kin</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mstyle></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mrow><mml:mover><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="false" scriptlevel="2"><mml:mi mathvariant="normal">S</mml:mi></mml:mstyle></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mo fence="false" stretchy="false">|</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mspace width="thinmathspace"/></mml:mstyle></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mover><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="false" scriptlevel="2"><mml:mi mathvariant="normal">E</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">S</mml:mi></mml:mstyle></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mo fence="false" stretchy="false">|</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mover><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="false" scriptlevel="2"><mml:mi mathvariant="normal">E</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">S</mml:mi></mml:mstyle></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mo fence="false" stretchy="false">|</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mstyle></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:mstyle></mml:math></disp-formula>where concentrations have been rescaled as <inline-formula><mml:math id="inf495"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and kinetic rates as <inline-formula><mml:math id="inf496"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mpadded width="+1.7pt"><mml:mi>k</mml:mi></mml:mpadded><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>τ</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p><p>We discretize the steady state equations on a grid with spacing <inline-formula><mml:math id="inf497"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0.01</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, approximating the second derivative as<disp-formula id="equ110"><label>(S122)</label><mml:math id="m110"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mo>∇</mml:mo><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo>≈</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo maxsize="120%" minsize="120%">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mo>-</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo maxsize="120%" minsize="120%">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p><p>This is ill-defined at the boundaries <inline-formula><mml:math id="inf498"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="inf499"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, which is addressed by incorporating the boundary conditions. For illustration, consider the left boundary, <inline-formula><mml:math id="inf500"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and suppose that our domain included also a point at <inline-formula><mml:math id="inf501"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Then, we could approximate the boundary condition <inline-formula><mml:math id="inf502"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mo>∇</mml:mo><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:msub></mml:msub></mml:mrow><mml:mo fence="true" stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mtext>kin</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> by a centred difference scheme, and solve out for the fictional point at <inline-formula><mml:math id="inf503"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, namely,<disp-formula id="equ111"><mml:math id="m111"><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mrow><mml:mtable columnalign="left left" columnspacing="1em" rowspacing="4pt"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mover><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="false" scriptlevel="2"><mml:mi mathvariant="normal">S</mml:mi></mml:mstyle></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mo fence="false" stretchy="false">|</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>−</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>kin</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mo stretchy="false">⇒</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo maxsize="1.2em" minsize="1.2em">(</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="false" scriptlevel="2"><mml:mi mathvariant="normal">S</mml:mi></mml:mstyle></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>−</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="false" scriptlevel="2"><mml:mi mathvariant="normal">S</mml:mi></mml:mstyle></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mo>−</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mrow><mml:mo maxsize="1.2em" minsize="1.2em">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>−</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>kin</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mstyle></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mo stretchy="false">⇒</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="false" scriptlevel="2"><mml:mi mathvariant="normal">S</mml:mi></mml:mstyle></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mo>−</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="false" scriptlevel="2"><mml:mi mathvariant="normal">S</mml:mi></mml:mstyle></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mspace width="thinmathspace"/><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>kin</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mstyle></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:mstyle></mml:math></disp-formula>which, when inserted into <xref ref-type="disp-formula" rid="equ110">Equation S122</xref>, specifies <inline-formula><mml:math id="inf504"><mml:mrow><mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mo>∇</mml:mo><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:msub></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> at <inline-formula><mml:math id="inf505"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, that is,<disp-formula id="equ112"><label>(S123)</label><mml:math id="m112"><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mover><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo maxsize="1.2em" minsize="1.2em">(</mml:mo></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>−</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mrow><mml:mo maxsize="1.2em" minsize="1.2em">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>2</mml:mn><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>kin</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mstyle></mml:math></disp-formula></p><p>For the boundary at the right (<inline-formula><mml:math id="inf506"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>) as well as for the boundary conditions for <inline-formula><mml:math id="inf507"><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mstyle></mml:math></inline-formula>, we similarly implement no-flux boundary conditions. After discretizing, <xref ref-type="disp-formula" rid="equ108">Equation S120</xref> can then be written in a matrix form as<disp-formula id="equ113"><label>(S124)</label><mml:math id="m113"><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mrow><mml:mtable columnalign="left left" columnspacing="1em" rowspacing="4pt"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mover><mml:mrow><mml:mover><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mtable columnspacing="1em" rowspacing="4pt"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>−</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>2</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mo>⋯</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>1</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mo>−</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>1</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mo>⋯</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>⋮</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:mo>⋮</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:mo>⋮</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mo>⋱</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:mo>⋮</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mo>⋯</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mn>1</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mo>−</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>1</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mo>⋯</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mn>1</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mo>−</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>−</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>b</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>p</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">I</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>⏞</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">M</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">S</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mover><mml:mtext> </mml:mtext><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>−</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">o</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">f</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">f</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">S</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mover><mml:mrow><mml:mover><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mtable columnspacing="1em" rowspacing="4pt"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>−</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>2</mml:mn><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>kin</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>⋮</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>⏞</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mrow></mml:mover><mml:mo>,</mml:mo></mml:mstyle></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:munder><mml:mrow><mml:munder><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mtable columnspacing="1em" rowspacing="4pt"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>−</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>1</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mo>⋯</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>1</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mo>−</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>1</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mo>⋯</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>⋮</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:mo>⋮</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:mo>⋮</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mo>⋱</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:mo>⋮</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mo>⋯</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mn>1</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mo>−</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>1</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mo>⋯</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mn>1</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mo>−</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>−</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">o</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">f</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">f</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">S</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">I</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>⏟</mml:mo></mml:munder></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">M</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:munder><mml:mtext> </mml:mtext><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>−</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>b</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:mstyle></mml:math></disp-formula>where <inline-formula><mml:math id="inf508"><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo></mml:mover><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:msub></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="inf509"><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo></mml:mover><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:msub></mml:math></inline-formula> are column vectors of the nondimensionalized concentration profiles evaluated at the spatial grid points, that is, <inline-formula><mml:math id="inf510"><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">⋯</mml:mi><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:msup></mml:math></inline-formula>. Solving these matrix equations yields<disp-formula id="equ114"><label>(S125)</label><mml:math id="m114"><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mrow><mml:mtable columnalign="right left" columnspacing="1em" rowspacing="4pt"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="false" scriptlevel="2"><mml:mi mathvariant="normal">S</mml:mi></mml:mstyle></mml:mrow></mml:msub><mml:mspace width="thinmathspace"/></mml:mstyle></mml:mstyle></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">M</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>−</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">o</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">f</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">f</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">S</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>b</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">M</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>−</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>−</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mstyle></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="false" scriptlevel="2"><mml:mi mathvariant="normal">E</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">S</mml:mi></mml:mstyle></mml:mrow></mml:msub><mml:mspace width="thinmathspace"/></mml:mstyle></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>−</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>b</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">M</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">M</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>ES</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>−</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">o</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">f</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">f</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">S</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>b</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">I</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>−</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mstyle></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:mstyle></mml:math></disp-formula></p><p>We compute <xref ref-type="disp-formula" rid="equ114">Equation S125</xref> numerically for two substrates: a cognate (‘R’) and a non-cognate (‘W’), which differ in their off-rates (<inline-formula><mml:math id="inf511"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mtext>off</mml:mtext><mml:mtext>R</mml:mtext></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mpadded width="+1.7pt"><mml:mn>0.1</mml:mn></mml:mpadded><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msup><mml:mtext>s</mml:mtext><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="inf512"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mtext>off</mml:mtext><mml:mtext>W</mml:mtext></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mpadded width="+1.7pt"><mml:mn>1</mml:mn></mml:mpadded><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msup><mml:mtext>s</mml:mtext><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, respectively). Having the density profiles, the fidelity of the model becomes <inline-formula><mml:math id="inf513"><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mo>≈</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>ER</mml:mtext></mml:msub></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>EW</mml:mtext></mml:msub></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. We calculate the fidelity for different choices of the first–order rate of enzyme–substrate binding (<inline-formula><mml:math id="inf514"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mtext>b</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mtext>on</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>E</mml:mtext></mml:msub></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula>); this may be thought of as varying the concentration of free enzyme in the cell. The results are shown in <xref ref-type="fig" rid="fig5">Figure 5</xref> of the main text.</p></sec><sec id="s13-2"><title>2. Energy dissipation</title><p>In Appendices 2.1 and 2.3, we estimated lower bounds on the minimum power that needs to be dissipated in order to counter the homogenizing effect that enzyme activity and substrate diffusion respectively have on localized substrate profiles. Here, we calculate the energy dissipation required to run the kinase/phosphatase-based mechanism and compare it with these lower bounds estimated earlier.</p><p>Let us assume that phosphorylation and dephosphorylation reactions by kinases and phosphatases are nearly irreversible with associated free energy costs of <inline-formula><mml:math id="inf515"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>ε</mml:mi><mml:mtext>kin</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="inf516"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>ε</mml:mi><mml:mtext>phosph</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> per reaction, respectively. The net rate at which active substrates get dephosphorylated is <inline-formula><mml:math id="inf517"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mtext>p</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mtext>phosphorylated</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and it needs to be identical to the net phosphorylation rate of inactive substrates in order for <inline-formula><mml:math id="inf518"><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mtext>phosphorylated</mml:mtext></mml:msub></mml:math></inline-formula> to remain constant. With the costs of each reaction known, we can write the rate of energy dissipation <inline-formula><mml:math id="inf519"><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi><mml:mtext>k/p</mml:mtext></mml:msub></mml:math></inline-formula> as<disp-formula id="equ115"><label>(S126)</label><mml:math id="m115"><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>k/p</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>p</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>phosphorylated</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi>ε</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>kin</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi>ε</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>phosph</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mstyle></mml:math></disp-formula></p><p>To gain analytical intuition, we first consider the case where the enzyme activity is very low, so that the kinase/phosphatase–based mechanism maintains an exponential profile of active substrates with a decay length scale <inline-formula><mml:math id="inf520"><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msqrt><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>p</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:msqrt></mml:mrow></mml:mstyle></mml:math></inline-formula>. Expressing the rate of phosphorylation in terms of <inline-formula><mml:math id="inf521"><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:msub></mml:msub></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="inf522"><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:msub></mml:msub></mml:math></inline-formula> (i.e., <inline-formula><mml:math id="inf523"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mtext>p</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:msub></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>λ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:msub><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula>), and substituting it into <xref ref-type="disp-formula" rid="equ115">Equation S126</xref>, we obtain<disp-formula id="equ116"><label>(S127)</label><mml:math id="m116"><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mrow><mml:mtable columnalign="right left" columnspacing="1em" rowspacing="4pt"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>k/p</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>phosphorylated</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mfrac><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi>ε</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>kin</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi>ε</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>phosph</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:mstyle></mml:math></disp-formula></p><p>Comparing this result with the lower dissipation bound found earlier (<xref ref-type="disp-formula" rid="equ52">Equation S43</xref>), we can note the presence of an extra factor <inline-formula><mml:math id="inf524"><mml:mrow><mml:mi>β</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>ε</mml:mi><mml:mtext>kin</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>ε</mml:mi><mml:mtext>phosph</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Since the free energy consumption during ATP hydrolysis is <inline-formula><mml:math id="inf525"><mml:mrow><mml:mi/><mml:mo>∼</mml:mo><mml:mrow><mml:mpadded width="+1.7pt"><mml:mn>10</mml:mn></mml:mpadded><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mtext>B</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, we can say that the power dissipated by the kinase/phosphatase system for setting up an exponential gradient surpasses the lower limit necessary for counteracting diffusion roughly by an order of magnitude.</p><p>Next, we explore the energetics of the kinase/phosphatase-based mechanism in the context of the power–fidelity trade-off. Our study of the trade-off in <xref ref-type="fig" rid="fig4">Figure 4</xref> of the main text was performed under the assumption that substrate profiles were exponentially decaying in the entire spatial domain. In <xref ref-type="fig" rid="app6fig1">Appendix 6—figure 1a</xref>, we show the trade-off curves obtained under this assumption and compare them with the trade-off curve for the kinase/phosphatase-based mechanism that arises in response to changing the substrate localization by tuning <inline-formula><mml:math id="inf526"><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mtext>p</mml:mtext></mml:msub></mml:math></inline-formula>. As can be seen, the predicted lower bound (sum of the minimum powers needed to counteract the enzyme action and substrate diffusion) is roughly an order of magnitude lower than the total dissipation of the mechanism, and this difference increases with higher fidelity.</p><p>Note, however, that the assumption about an exponential substrate localization is not generally valid for the kinase/phosphatase-based mechanism because substrates can be deposited in low–concentration regions and not get immediately dephosphorylated (<xref ref-type="fig" rid="app6fig1">Appendix 6—figure 1c</xref>). We therefore refine our lower bounds on the dissipated power by estimating them numerically using their generic definitions, namely, <xref ref-type="disp-formula" rid="equ39">Equation S30</xref> for counteracting enzymatic action, and <xref ref-type="disp-formula" rid="equ51">Equation S42</xref> for counteracting substrate diffusion. These refined estimates suggest a factor of ∼10 difference between the total cost and its lower bound consistently across a wide region of the trade-off curve. This means that substrate gradient maintenance through practically irreversible phosphorylation and dephosphorylation reactions has low energetic efficiency for doing spatial proofreading, which, however, may be sustainable depending on the energy budget of the cell.</p><fig id="app6fig1" position="float"><label>Appendix 6—figure 1.</label><caption><title>Energetic performance of the kinase/phosphatase–based mechanism.</title><p>(<bold>a</bold>) Total dissipation and calculated lower bounds under the assumption of exponential substrate localization. (<bold>b</bold>) Total dissipation and lower bounds estimated without assuming exponential substrate profiles. In both (<bold>a</bold>) and (<bold>b</bold>) <inline-formula><mml:math id="inf527"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>b</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mpadded width="+1.7pt"><mml:mn>1</mml:mn></mml:mpadded><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msup><mml:mtext>s</mml:mtext><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="inf528"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>ε</mml:mi><mml:mtext>kin</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>ε</mml:mi><mml:mtext>phosph</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mpadded width="+1.7pt"><mml:mn>10</mml:mn></mml:mpadded><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mtext>B</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> were used. (<bold>c</bold>) Example profiles of right and wrong substrates for the physiologically relevant dephosphorylation rate <inline-formula><mml:math id="inf529"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mpadded width="+1.7pt"><mml:mn>5</mml:mn></mml:mpadded><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msup><mml:mtext>s</mml:mtext><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Exponential decay of the substrate profile with the predicted length scale <inline-formula><mml:math id="inf530"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:msub></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msqrt><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:msub><mml:mi/><mml:mtext>S</mml:mtext></mml:msub></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msqrt></mml:mrow></mml:math></inline-formula> holds in the first <inline-formula><mml:math id="inf531"><mml:mrow><mml:mi/><mml:mo>∼</mml:mo><mml:mpadded width="+1.7pt"><mml:mn>2</mml:mn></mml:mpadded></mml:mrow></mml:math></inline-formula> μm of the compartment.</p></caption><graphic mime-subtype="tiff" mimetype="image" xlink:href="elife-60415-app6-fig1-v2.tif"/></fig></sec></sec></boxed-text></app></app-group></back><sub-article article-type="decision-letter" id="sa1"><front-stub><article-id pub-id-type="doi">10.7554/eLife.60415.sa1</article-id><title-group><article-title>Decision letter</article-title></title-group><contrib-group><contrib contrib-type="editor"><name><surname>Yildiz</surname><given-names>Ahmet</given-names></name><role>Reviewing Editor</role><aff><institution>University of California, Berkeley</institution><country>United States</country></aff></contrib></contrib-group></front-stub><body><boxed-text><p>In the interests of transparency, eLife publishes the most substantive revision requests and the accompanying author responses.</p></boxed-text><p>Thank you for submitting your article &quot;Proofreading through spatial gradients&quot; for consideration by <italic>eLife</italic>. Your article has been reviewed by three peer reviewers, and the evaluation has been overseen by a Reviewing Editor and Aleksandra Walczak as the Senior Editor. The reviewers have opted to remain anonymous.</p><p>The reviewers have discussed the reviews with one another and the Reviewing Editor has drafted this decision to help you prepare a revised submission.</p><p>As the editors have judged that your manuscript is of interest, but as described below that substantial revisions are required before it is published, we would like to draw your attention to changes in our revision policy that we have made in response to COVID-19 (https://elifesciences.org/articles/57162). First, because many researchers have temporarily lost access to the labs, we will give authors as much time as they need to submit revised manuscripts. We are also offering, if you choose, to post the manuscript to bioRxiv (if it is not already there) along with this decision letter and a formal designation that the manuscript is &quot;in revision at <italic>eLife</italic>&quot;. Please let us know if you would like to pursue this option. (If your work is more suitable for medRxiv, you will need to post the preprint yourself, as the mechanisms for us to do so are still in development.)</p><p>Summary:</p><p>In the manuscript by Galstyn et al. on &quot;Proofreading through spatial gradients&quot;, the authors proposed and studied a new kinetic proofreading (KP) model/scheme based on having a spatial gradient of the substrate (both &quot;correct&quot; and &quot;wrong&quot; ones) and the diffusive transport of the substrate-bound enzyme molecules to a spatially localized production site. The authors did an excellent job in explaining their new model and its connection and difference with regards to the classical Hopfield-Ninos KP mechanism. The key insight is that with spatial inhomogeneity, e.g., in the presence of a persistent spatial gradient for the enzyme or the substrate, one can consider spatial location as a state-variable. By having the substrate and product (or production site) at different spatial locations, these spatial degrees of freedom of the enzyme, i.e., enzymes at different physical location, can be considered as the intermediate states that are necessary for kinetic proofreading – each intermediate state contributes a certain probability for error-correction. In the original Hopfield-Ninos KP scheme, the intermediate state is provided by additional enzyme(s), whereas in this new KP scheme, it depends on having a spatial gradient, which the authors argue is more tunable. The reviewers were enthusiastic about the theoretical model presented in this study because of its simplicity and elegance. However, the reviewers have also raised serious concerns (see Essential Revisions for detail) that need to be addressed in order to consider the manuscript further for publication in Life. In summary, the panel feels that discussion of possible biological example(s) where this novel type of proofreading may be occurring would significantly improve the manuscript's appeal to a broad audience. In addition, the reviewers ask for more explicitly explanation of the effect of enzymatic catalysis rates, and discussion of the full dissipation cost in the revised manuscript.</p><p>Essential revisions:</p><p>1) The major concern of the reviewer panel is how relevant this mechanism is for realistic biological systems. The original Hopfield-Ninos KP mechanism was motivated by specific and important biological problems (puzzles), namely the unusually high fidelity in biochemical synthesis process (in comparison with its equilibrium value). In this manuscript, the theory is developed without specific biological system or specific biological question in mind. It is true that spatial gradient exists across biological systems and the authors also showed that typical kinetic rates may fall in the functional range of this new gradient-dependent kinetic proofreading mechanism. But, what is the function of the original system that such a kinetic proofreading process can help improve? Is it biochemical synthesis? Do the authors envision &quot;correct&quot; and &quot;wrong&quot; biomolecules being produced at the production site (x=L) like in the original setting of Hopfield-Ninos? Or is it signaling like in the T-cell signaling case? If so, do the authors envision that both the correct signaling molecule and the incorrect signaling molecule have a spatial gradient and they can both be carried by the same enzyme to their functional sites? The panel is not asking a detailed comparison with a specific system, but a known biological phenomenon that may be explained by this new mechanism would help motivate the mostly biologist audience of <italic>eLife</italic>. Furthermore, a connection to a specific biological system could also lead to testable predictions that would ultimately verify (or falsify) the existence of this mechanism.</p><p>2) The entire manuscript assumes that catalysis is negligible and thus need not be explicitly modeled in solving for the steady-state distributions. How would incorporating a boundary condition at the right that involves non-negligible catalysis change (even qualitatively) your findings? To be more specific, there is a production r for the enzymatic reaction at x=L where the enzyme is active. However, the effect of this reaction, which change ES--&gt;E+P, is not considered in the model equations (Equations 1-3). Is it because r is considered to be small? If so, smaller than what? Since speed is directly related to r, how does the value of r affect the speed and the speed-accuracy trade-off?</p><p>3) When quantifying the energetic costs, the main text solely focuses on the cost of counteracting the enzyme binding substrate, diffusing, and releasing. The appendix explores some theory for the other cost of maintaining the substrate gradients, but without reporting any absolute numbers. For the biologically plausible kinase/phosphatase substrate-maintenance mechanism explored in the main text, how does its cost compare to the cost that you study quantitatively in the main text? Specifically, where does Equation 8 come from? What's the physical meaning of <italic>P</italic>? The standard way to compute energy dissipation is by computing the entropy production rate S', which is well defined. Then by assuming the internal energy does not change with time in steady state, we equate energy dissipation with kT*S'. The form of entropy production rate is known and can be found in text book (such as those from T. Hill) and papers (e.g., those from H. Qian and collaborators; and from U. Seifert and collaborators), and the formula given in Equation 8 does not seem to be consistent with the known form of entropy production. In particular, for a given reaction with forward flux J+ and backward flux J-, the entropy production rate is: (J+-J-)ln(J+/J-), which can be easily shown to be positive definite and only = 0 when detailed balance J+=J- is satisfied.</p><p>4) The same concentration profiles are assumed for the right substrate R and the wrong substrate W. This is a strong assumption, could the authors consider the case where the concentration gradient length of the wrong substrate profile is larger than this length for the right substrate but still smaller that the distance L? They may calculate a series of the fidelity curves with increasing <italic>λ<sub>W</sub></italic> and the same <italic>λ<sub>R</sub></italic>. How will proofreading change?</p></body></sub-article><sub-article article-type="reply" id="sa2"><front-stub><article-id pub-id-type="doi">10.7554/eLife.60415.sa2</article-id><title-group><article-title>Author response</article-title></title-group></front-stub><body><disp-quote content-type="editor-comment"><p>Summary:</p><p>In the manuscript by Galstyn et al. on &quot;Proofreading through spatial gradients&quot;, the authors proposed and studied a new kinetic proofreading (KP) model/scheme based on having a spatial gradient of the substrate (both &quot;correct&quot; and &quot;wrong&quot; ones) and the diffusive transport of the substrate-bound enzyme molecules to a spatially localized production site. The authors did an excellent job in explaining their new model and its connection and difference with regards to the classical Hopfield-Ninos KP mechanism. The key insight is that with spatial inhomogeneity, e.g., in the presence of a persistent spatial gradient for the enzyme or the substrate, one can consider spatial location as a state-variable. By having the substrate and product (or production site) at different spatial locations, these spatial degrees of freedom of the enzyme, i.e., enzymes at different physical location, can be considered as the intermediate states that are necessary for kinetic proofreading – each intermediate state contributes a certain probability for error-correction. In the original Hopfield-Ninos KP scheme, the intermediate state is provided by additional enzyme(s), whereas in this new KP scheme, it depends on having a spatial gradient, which the authors argue is more tunable. The reviewers were enthusiastic about the theoretical model presented in this study because of its simplicity and elegance. However, the reviewers have also raised serious concerns (see Essential Revisions for detail) that need to be addressed in order to consider the manuscript further for publication in Life. In summary, the panel feels that discussion of possible biological example(s) where this novel type of proofreading may be occurring would significantly improve the manuscript's appeal to a broad audience. In addition, the reviewers ask for more explicitly explanation of the effect of enzymatic catalysis rates, and discussion of the full dissipation cost in the revised manuscript.</p></disp-quote><p>We are deeply grateful to the reviewers for the variety of very interesting suggestions and critiques that they have made. These remarks led the author team to several months of lively exchanges and precipitated a number of new and interesting calculations which are now in the paper or the supporting information. We have addressed all of the comments in detail, in many cases adding new calculations to the manuscript and we believe that the paper is much improved. We hope that the revised manuscript will now be viewed as suitable for publication.</p><p>The one comment that we wanted to address in a more circumspect fashion was the first comment concerning biological examples of our new proofreading hypothesis. We have several points to make here. First, in developing this new proofreading concept we were inspired by the ubiquitous phenomenon of allostery, the fact that many, many proteins change their state of activity upon binding to a relevant ligand. Further, many allosteric proteins are membrane bound. As a result, there are a plethora of examples where protein localization in conjunction with allostery provide a plausible basis for the kind of proofreading we envisage. As a result, although the reviewers wonder about biological examples which we describe below, in our view, the broad reach of the allostery phenomenon is to our minds an already strong plausibility argument for the kind of proofreading mechanisms we suggest here. A second more philosophical remark is simply to hope that the reviewers are open to the idea that there is something very powerful about theoretical ideas being ahead of experiments. For example, the idea of depletion forces was hypothesized by Asakura and Oosawa long before there was any data. With that in mind, we hope that the reviewers are open to the argument that this kind of interplay between theory and experiment in which a theoretical idea is ahead of the experiments is a potent tool for engendering new experiments. Indeed, the whole notion of positional information in the setting of morphogenesis is quite related to our work and we are inspired by the possibility of using synthetic biology approaches to explicitly construct the kind of mechanism we have hypothesized. In this era of synthetic biology, even if as yet there were no definitive natural examples of the mechanism we propose here, we are confident that this mechanism could be built using the tools of synthetic biology along the lines of the two papers that appeared in Science several weeks ago (Toda, et al. and Stapornwongkul, et al.) in which GFP was artificially used as a morphogen.</p><p>In summary, again, we are deeply grateful to the reviewers for many thoughtful and helpful comments. We have addressed all of them, though the question of biological examples is slightly nuanced.</p><disp-quote content-type="editor-comment"><p>Essential revisions:</p><p>1) The major concern of the reviewer panel is how relevant this mechanism is for realistic biological systems. The original Hopfield-Ninos KP mechanism was motivated by specific and important biological problems (puzzles), namely the unusually high fidelity in biochemical synthesis process (in comparison with its equilibrium value). In this manuscript, the theory is developed without specific biological system or specific biological question in mind. It is true that spatial gradient exists across biological systems and the authors also showed that typical kinetic rates may fall in the functional range of this new gradient-dependent kinetic proofreading mechanism. But, what is the function of the original system that such a kinetic proofreading process can help improve? Is it biochemical synthesis? Do the authors envision &quot;correct&quot; and &quot;wrong&quot; biomolecules being produced at the production site (x=L) like in the original setting of Hopfield-Ninos? Or is it signaling like in the T-cell signaling case? If so, do the authors envision that both the correct signaling molecule and the incorrect signaling molecule have a spatial gradient and they can both be carried by the same enzyme to their functional sites? The panel is not asking a detailed comparison with a specific system, but a known biological phenomenon that may be explained by this new mechanism would help motivate the mostly biologist audience of eLife. Furthermore, a connection to a specific biological system could also lead to testable predictions that would ultimately verify (or falsify) the existence of this mechanism.</p></disp-quote><p>We thank the panel for urging us to propose more concrete biological examples where spatial proofreading could potentially be in play and for the questions about the implementation of our scheme. We have added several such examples in the Discussion section. As for the specific questions, in the processes discussed, it is indeed the case that the same enzyme/mediator protein transports both right and wrong substrates which either have a spatial gradient or are ideally localized at a membrane–bound compartment. The “product” of the reaction is the delivery of the substrate at the target site. This can either be the ultimate purpose of the pathway or be followed by biological synthesis. Specifically, the first example we discuss is related to spatially localized protein synthesis often seen in polarized, asymmetric cells. Designated ribonucleoproteins bind specific mRNAs near the cell nucleus and transport them to the localization site (e.g., the bud tip of a dividing cell, the lamellipodia or axonal growth cones) where synthesis occurs. mRNAs that are released during transport are subjected to degradation which prevents protein synthesis in the cytosol that, if it happened, could be toxic or deleterious to the cell (Parton, et al., 2014, Martin and Ephrussi, 2009). Another example is the non-vesicular transport of phospholipids between different membrane–bound compartments of the cell. This is achieved through lipid–transfer proteins that cycle between the donor and acceptor compartments and transfer specific lipids (Lev, 2010). Transport efficiency was mentioned in the review paper by Lev as an important performance metric dictated by the diffusion distance and we think it would be interesting to address the question of optimal architecture from the perspective of fidelity–transport efficiency (or, speed) trade-off. At the end of the Discussion section, we also mentioned a few other processes involving compartmentalized parts of the cell where our proposed scheme may be applicable. Experimental studies of these processes in in vivo and in vitro reconstituted settings in light of the signature features of the spatial proofreading mechanism will reveal if and to what extent it is used in cells. Lastly, we are very enthusiastic about the use of tools from synthetic biology to explicitly design and construct an in vivo example of our concept. Recent work on synthetic morphogen gradients (Toda, et al., 2020, Stapornwongkul, et al., 2020) foreshow these possibilities.</p><disp-quote content-type="editor-comment"><p>2) The entire manuscript assumes that catalysis is negligible and thus need not be explicitly modeled in solving for the steady-state distributions. How would incorporating a boundary condition at the right that involves non-negligible catalysis change (even qualitatively) your findings? To be more specific, there is a production r for the enzymatic reaction at x=L where the enzyme is active. However, the effect of this reaction, which change ES--&gt;E+P, is not considered in the model equations (Equations 1-3). Is it because r is considered to be small? If so, smaller than what? Since speed is directly related to r, how does the value of r affect the speed and the speed-accuracy trade-off?</p></disp-quote><p>We thank the reviewer for raising this important point. We have now re-run our analysis with modified boundary conditions to account for finite catalysis rates (see Appendix 3). We showed that the performance of the spatial proofreading model depends on catalysis in the same qualitative way as with classical proofreading, namely, faster catalysis reduces the effectiveness of the final step of the proofreading cascade and the lowest error is achieved in the limit of slow catalysis. We derived exact analytical conditions for each regime and showed that fidelity reduction due to fast catalysis is bounded by a factor of <italic>η</italic><sub>eq</sub>. We also showed that despite this reduction, higher catalysis rates in fact improve the Pareto–optimal front of the speed–fidelity trade-off. Specifically, to maximize speed for a given fidelity value, catalysis needs to be fast with a corresponding slowdown of diffusion. We comment on these new findings in the Results subsections “Slow Transport of Enzymatic Complex Enables Proofreading” and “Navigating the Speed–Fidelity Trade-Off”.</p><disp-quote content-type="editor-comment"><p>3) When quantifying the energetic costs, the main text solely focuses on the cost of counteracting the enzyme binding substrate, diffusing, and releasing. The appendix explores some theory for the other cost of maintaining the substrate gradients, but without reporting any absolute numbers. For the biologically plausible kinase/phosphatase substrate-maintenance mechanism explored in the main text, how does its cost compare to the cost that you study quantitatively in the main text? Specifically, where does Equation 8 come from? What's the physical meaning of P? The standard way to compute energy dissipation is by computing the entropy production rate S', which is well defined. Then by assuming the internal energy does not change with time in steady state, we equate energy dissipation with kT*S'. The form of entropy production rate is known and can be found in text book (such as those from T. Hill) and papers (e.g., those from H. Qian and collaborators; and from U. Seifert and collaborators), and the formula given in Equation 8 does not seem to be consistent with the known form of entropy production. In particular, for a given reaction with forward flux J+ and backward flux J-, the entropy production rate is: (J+-J-)ln(J+/J-), which can be easily shown to be positive definite and only = 0 when detailed balance J+=J- is satisfied.</p></disp-quote><p>In Appendix 6, subsection “Energy dissipation”, we calculated the total power dissipated in the kinase/phosphatase– based mechanics using a rough estimate for the dissipated energy per phosphorylation and dephosphorylation event (∼ 10 <italic>k</italic><sub>B</sub><italic>T</italic> each). We demonstrated that this cost exceeds our estimated lower bound on the proofreading cost (Figure 4 of the main text) as well as the minimum cost required for localizing substrates by roughly an order of magnitude for a wide region of the dissipation–fidelity trade-off curve (Appendix 6—figure 1), suggesting that for the purposes of spatial proofreading the energetic efficiency of the kinase/phosphatase–based mechanism is low. We mention this feature in the subsection “Proofreading by Biochemically Plausible Intracellular Gradients” of the main text.</p><p>In addition, we elaborated our discussion of the proofreading cost in Appendix 2, subsection “Derivation of the minimum dissipated power” and showed that our definition of power in Equation 8 of the main text in fact matches identically with the classical nonequilibrium thermodynamic definition expressed in terms of fluxes and thermodynamic forces (in the aforementioned subsection). The reason for their identity is the fact that driving forces are non-zero only for substrate binding/unbinding events and not for enzyme diffusion. Adding contributions from binding/unbinding events across the entire compartment leads to the proposed expression for power (Equation 8).</p><disp-quote content-type="editor-comment"><p>4) The same concentration profiles are assumed for the right substrate R and the wrong substrate W. This is a strong assumption, could the authors consider the case where the concentration gradient length of the wrong substrate profile is larger than this length for the right substrate but still smaller that the distance L? They may calculate a series of the fidelity curves with increasing λ<sub>W</sub> and the same λ<sub>R</sub>. How will proofreading change?</p></disp-quote><p>In our main analysis, the assumption of equal concentration profiles for both substrates allows us to focus on discrimination due to the proofreading mechanism itself. We did not want to implicitly assume any discrimination of substrates other than the difference in their off-rates. By analogy, in classical proofreading models, one assumes that ATP hydrolysis (or any other energy consumption mechanism) itself does not discriminate between the substrates and that both substrates are present in equal amounts, even if neither is true in reality.</p><p>To understand how effects raised by the reviewers layer on top of the proofreading discrimination described in the main text, Appendix 4 now explores fidelity for unequal values of <italic>λ<sub>W</sub> </italic>and <italic>λ<sub>R</sub></italic>. As anticipated, fidelity goes down with shallower gradients of wrong substrates. We note that, at least for the kinase/phosphatase-based gradient formation mechanism, it is in fact the <italic>right</italic> substrates that have a shallower gradient and not the wrong ones (e.g., see Appendix 6—figure 1C), which makes our assumption of equal concentration profiles a conservative one. This happens because wrong substrates unbind earlier in transport, and hence, are easier to localize than right substrates which are more likely to unbind closer to the production end. The curves plotted in Appendix 4—figure 1 demonstrate this in the <italic>λ<sub>W</sub> &lt;λ<sub>R</sub> </italic>region of the parameter space.</p></body></sub-article></article>