Elementary vectors and conformal sums in polyhedral geometry and their relevance for metabolic pathway analysis
代谢途径分析的一个基本结果是，每个通量模式都可以分解为基本模式之和。然而，只有没有取消的分解才是生物化学上有意义的，因为可逆反应在起作用的基元模式中不能有不同的方向。这一基本要求在很大程度上被代谢途径界所忽视。实际上，每个通量模式都可以分解为基本模式而无需取消。结果是一个直接后果的定理由罗克费勒其中指出，每一个元素的线性子空间是一个共形和（一个总和没有取消）的基本向量（支持-极小向量）。在这项工作中，我们推广的定理，首先到“子空间锥”，然后到一般的多面体锥和多面体。从而，我们完善了Minkowski定理和Carathéodory定理，多面体几何中的两个基本结果。我们注意到，一般情况下，基本向量不需要是支集极小的，事实上，它们是共形不可分解的，并形成一个唯一的共形生成元的极小集。我们的治疗是数学上严格的，但适合系统生物学家，因为我们给我们的结果自含的证据，并使用代谢途径分析动机的概念。特别是，我们研究锥定义的线性子空间和非负性条件-如流量锥-并使用它们来分析一般的多面体锥和多面体。最后，我们回顾了基本向量和共形和在代谢途径分析中的应用。
2016-04-30 math.MG q-bio.MN
Qualitative Behavior of a Metabolic Pathway with Hybrid Feedback
我们研究了一个模型的定性行为，以表示局部调控的代谢网络。该模型基于[A. Goelzer，F.贝卡尔布里克奇岛Martin-Verstraete等人，BMC Syst Biol 2（2008），pp. 1- 18]。在这类调节中，代谢物效应物是代谢途径的终产物。我们假设通路的输入根据代谢物效应物的浓度在零和正值之间切换。将切换系统视为一个微分包含，证明了它依赖于输入的正值收敛到全局一致渐近稳定的平衡点，到达滑动模或在滑动模附近振荡.最后，我们证明了在任何情况下，切换系统的解是具有光滑或分段线性输入的方程序列的解的极限。
2023-03-02 math.DS q-bio.MN
Toolbox model of evolution of metabolic pathways on networks of arbitrary topology
在原核生物基因组中，转录调控因子的数量与蛋白质编码基因的总数成二次方。最近提出了一个新的模型来解释代谢酶及其调节因子的这种标度性。根据其规则，生物体的代谢网络通过来自其他物种的途径的水平转移而进化。这些通路是由所有物种特异性网络联合形成的更大的“通用”网络的一部分。然而，这个普遍网络的拓扑性质如何影响基因组功能内容的标度律，仍有待理解。在这项研究中，我们回答了这个问题，首先分析工具箱模型的任意树型通用网络的标度特性。我们从数学上证明了临界分支拓扑，其中一个节点的上游邻居的平均数等于一，是必要的和充分的二次缩放。相反，工具箱模型的树指数膨胀，超临界拓扑的特点是线性标度与对数校正。我们进一步推广我们的模型，包括与多种底物/产物以及分支或环状代谢途径的反应。与原始模型不同，新版本采用进化优化的途径，实现代谢任务所需的反应数量最少。在KEGG数据库的通用网络上对这个最真实的模型进行数值模拟，再次产生了近似二次缩放。我们的研究结果表明，为什么，尽管他们的“小世界”的拓扑结构，现实生活中的代谢网络的特点是广泛分布的路径长度和大小的代谢调节调控网络。
2010-09-22 q-bio.GN q-bio.MN q-bio.PE
Enzyme-Substrate Complex Formation Modulates Diffusion-Driven Patterning In Metabolic Pathways
Institute of Atmospheric Sciences and Climate (CNR-ISAC)（大气科学与气候研究所）
研究探讨了可逆酶-底物结合如何影响两步代谢通路中的模式形成，通过构建三物种反应扩散系统，揭示了扩散驱动的模式形成机制及酶结合对空间异质性的影响。
2026-04-24 q-bio.MN
Infer metabolic velocities from moment differences of molecular weight distributions
针对代谢网络复杂导致难以推断不同处理后代谢平衡变化的问题，该研究引入分子量分布概念，通过估计其位置与尺度矩差异，无需知晓化合物结构及通路即可定量推断代谢平衡变化，为经典生物学概念提供了数学框架。
2024-09-17 q-bio.BM q-bio.CB q-bio.MN
Optimal metabolic pathway activation
本文论述了生化途径激活过程中酶的时间分布。当由于环境条件的变化而需要产生某种生物分子时，就会出现通路激活。在生物系统已经通过进化过程优化的前提下，提出了一个具有生物意义的最优控制问题。在该设置中，酶浓度被假定为是时间依赖性的，并且受到有限的总酶生产能力的约束，而优化标准考虑了时间和资源使用。使用几何参数，我们建立了解决方案的砰砰性质，并揭示了每个反应必须按顺序激活，因为它们出现在路径中的相同顺序。结果适用于广泛的酶动力学，包括但不限于质量作用、Michaelis-Menten和Hill方程动力学。
2008-01-16 math.OC q-bio.MN q-bio.QM
Lethality and synthetic lethality in the genome-wide metabolic network of Escherichia coli
最近对细胞代谢网络的基因组分析表明，跨酶的反应通量是多样的，并在其分布中表现出幂律行为。虽然人们可能猜测，具有较大通量的反应在其催化基因产物或基因敲除的阻断下更可能是致死性的，但我们通过计算机模拟通量分析发现，由于\textit{Escherichia coli}的全基因组代谢中固有的广泛备用途径，致死性很少与通量水平相关。在布尔网络方案和通量平衡分析中识别了删除会导致后续反应级联失效直至生物质反应的致命反应。反应的雪崩规模，定义为在其移除后随后被阻断的反应的数量，结果证明是一个有用的致命性测量。作为一种手段来阐明表型稳健性的一个单一的删除，我们调查合成致死性反应水平，同时删除一对非致死性反应导致失败的生物质反应。通过通量平衡和布尔方案确定的合成致命物一直显示出在平行途径中起作用，以这样一种方式工作，即备用机器受到损害。
2006-01-13 cond-mat.stat-mech q-bio.MN
Anomalous thermal fluctuation distribution sustains proto-metabolic cycles and biomolecule synthesis
远离平衡的环境被认为是生命起源和持续的必要条件。在这种情况下，我们报告的非酶原代谢系统，其中过氧化氢作为氧化剂和驱动程序的热化学循环的开流模拟。我们发现，高斯扰动输入产生的非玻尔兹曼输出波动分布的平均振荡最大值。我们的主要结果是，净生物合成可以发生在波动的周期性，但不是稳定的驱动。因此，我们可以将必要条件修改为“动态远离平衡”。
2019-12-12 q-bio.MN
Size Dependent Growth in Metabolic Networks
对复杂网络的结构进行准确的判定和分类是当前研究的热点。一类特别感兴趣的网络是代谢途径，以前已经从图论的角度以多种方式进行了研究。代谢网络描述了细胞内的化学反应，因此从生物学的角度来看是最重要的。在这里，我们分析代谢网络的一部分微生物，使用一系列的指标，并试图解决观察到的指标和当前描述的图形结构之间的异常。我们建议，网络的增长可能在某种程度上受到网络大小的调节，并尝试使用生成方法来重现具有与代谢途径相似指标的网络。我们提供了一些假设，为什么生物网络可能会根据这些模型的标准。
2012-10-09 math-ph math.MP physics.soc-ph
Flux-dependent graphs for metabolic networks
细胞适应它们的代谢流以响应环境的变化。我们提出了一个框架的系统建设的通量为基础的图形来自生物体范围的代谢网络。我们的图通过代表从源到目标反应的代谢物流的边缘编码代谢通量的方向性。该方法可以应用在一个特定的生物背景下，通过模拟通量的概率，或可以定制不同的环境条件下，通过纳入通量分布计算通过基于约束的方法，如通量平衡分析。我们说明了我们的方法对大肠杆菌的中心碳代谢和人类肝细胞的代谢模型。在各种环境条件和遗传扰动下的通量依赖图表现出其拓扑结构和群落结构的系统性变化，这些变化捕获了代谢通量的重新路由以及特定反应和途径的不同重要性。通过整合网络科学中基于约束的模型和工具，我们的框架允许在标准途径描述之外的系统水平上研究特定于环境的代谢反应。
2018-03-28 cs.SI physics.soc-ph q-bio.MN
Shu: Visualization of high dimensional biological pathways
本研究开发了可视化工具Shu，整合多类数据到代谢图谱，支持多条件与分布可视化，提供基于图形语法的Python API，可免费获取并部署了网页版，助力多组学数据处理。
2023-04-14 q-bio.MN
Deformed Toric Ideal Constraints for Stoichiometric Networks
我们讨论化学反应网络和代谢途径的化学计量网络分析的基础上，通过代数几何方法引入变形环面理想约束。本文研究化学反应网络和代谢途径的稳态通量。通过变形复曲面理想约束，自动约束极端路径的线性组合参数，而无需引入ad hoc约束。为了说明这种约束的有效性，我们讨论了化学反应网络和代谢途径的两个例子;在前者的通量和浓度完全由变形复曲面理想约束，在后者中，它是变形复曲面理想约束通量的线性组合参数至少部分。即使在后一种情况下，通量和浓度也完全受到酶总量恒定的附加约束的约束。
2013-04-23 q-bio.MN q-bio.QM
Metabolic Network Properties: Comprehensive Analysis Across Domains
Universidade Federal do Rio Grande do Sul (UFRGS)（南里奥格兰德联邦大学）；Mayo Clinic Hospital（梅奥诊所医院）
本研究对10912个跨三域生物的代谢网络开展综合分析，提出贴合代谢通路的新构建方法，采用Surprise函数研究其群落结构，识别出进化压力导致的拓扑与群落特征，强调进化模型需纳入额外机制。
2026-08-24 cond-mat.stat-mech q-bio.MN
Signatures of arithmetic simplicity in metabolic network architecture
代谢网络在活细胞中执行一些最基本的功能，包括能量转导和构件生物合成。虽然这些是生命系统中最具特征的网络，但了解它们的进化历史和复杂的布线构成了生物学中最迷人的开放问题之一，与生命起源本身的谜团密切相关。新陈代谢的进化是否服从于普遍的原则，超越了不可预测的多重历史事件的积累？在这里，我们寻找这样的原则，适用于人工化学宇宙的一些方法，为研究基因组规模的细胞代谢模型。特别是，我们使用代谢通量约束为基础的模型来彻底搜索人工化学途径，可以最佳地执行一系列的基本代谢功能。尽管所采用的模型简单，我们发现，随后的途径显示出令人惊讶的丰富的属性，包括存在的自催化循环和分层模块，普遍优选的代谢产物和反应的外观，以及作为输入/输出分子大小的函数的途径长度的对数趋势。这些属性中的一些可以通过分析推导出来，借用以前在密码学中使用的方法。此外，通过将生化网络映射到简化的碳原子反应骨架上，我们发现人工化学模型预测的几个属性适用于真实的代谢网络。这些发现表明，优化原则和算术简单性可能隐藏在生化复杂性的某些方面。
2010-04-02 q-bio.MN q-bio.QM
Predicting pathways for old and new metabolites through clustering
University of California San Diego（加州大学圣地亚哥分校）
不同的代谢途径是所有生物体的基础，因为它们收获能量，合成生物质组分，产生分子与微环境相互作用，并中和毒素。虽然新代谢物和途径的发现仍在继续，但新代谢物途径的预测可能具有挑战性。它可能需要大量的时间来阐明新代谢物的途径;因此，根据HMDB，只有60%的代谢物被分配到途径。在这里，我们提出了一种方法来确定代谢物结构的基础上的途径。我们从SMILES注释中提取了201个特征，并从PubMed摘要和HMDB中鉴定了新的代谢物。在对这两组特征应用聚类算法后，我们量化了代谢物之间的相关性，并发现聚类准确地将92%的已知代谢物与其各自的途径联系起来。因此，这种方法对于预测新代谢物的代谢途径可能是有价值的。
2022-11-28 cs.LG q-bio.BM q-bio.MN
A statistical mechanics description of environmental variability in metabolic networks
在活细胞内发生的许多化学反应是不可逆的。由于进化的压力，这些系统中允许的反应数量受到高度限制，因此产生的代谢网络显示出相当大的不对称性。在本文中，我们探讨了可能的进化因素有关的减少对称性在这些网络中观察到的，并展示了重要的作用，环境的变化在塑造他们的结构组织。将可回复性指数解释为与假设参考系统平衡的反应网络的平衡常数，使我们能够量化代谢网络处于不平衡的程度。此外，通过引入一个新的有向中心性措施，通过扩展的子图中心性度量有向网络，我们能够通过他们的参与代谢途径中的单个代谢物。为了证明这些想法，我们研究了116个细菌的代谢网络。特别是，我们发现，代谢网络的平衡常数显着降低与细菌栖息地的变化，支持环境的变化促进这些生化反应系统内的不平衡的观点。
2013-03-01 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.MN
The solution space of metabolic networks: producibility, robustness and fluctuations
通量分析是一类研究生化反应网络的基于约束的方法：它们基于确定与给定的化学计量和热力学约束相容的反应通量配置。其主要应用领域之一是细胞代谢网络的研究。我们简要地和选择性地回顾了这个问题的主要方法，然后，在最近的工作的基础上，我们提供了一个表征的生产能力的代谢网络的细菌大肠杆菌在一个指定的生长介质中的可生产的生化物种。虽然一个强有力的和具有生理意义的生产概况（包括生物质成分、生物质产品、废物等）已清楚地显现出来，潜在的制约因素仍然允许甚至ATP等关键代谢物的显著波动，因此，显然为非常不同的增长情景奠定了基础。
2010-02-02 cond-mat.dis-nn q-bio.MN
Thermodynamic free energy map for the non-oxidative glycolysis pathways
本研究基于负吉布斯自由能差原则系统探索非氧化糖酵解网络，枚举并分类了替代途径，发现了多条热力学有利的新路径及具研究潜力的分子。
2025-06-24 cs.SY eess.SY q-bio.BM
Correlation-enhanced viable core in metabolic networks
本研究通过将代谢反应和化合物划分为可行与不可行，在数千物种的二分代谢网络中识别出“可行核心”，发现其规模因正度-度相关性而显著大于随机网络，并阐明了该相关性的进化起源。
2024-01-05 physics.bio-ph q-bio.MN q-bio.PE
Subnetwork hierarchies of biochemical pathways
我们提出了一种方法来分解生化网络到子网络的基础上的全球几何网络。这种方法使我们能够分析生化网络的完整层次组织，并适用于43个生物体的WIT数据库。两种类型的生化网络被认为是：代谢网络和全细胞网络（也包括例如信息处理）。描述的层次排序的概念和定量的方法进行了讨论。从我们的研究中产生的代谢网络的一般情况是，一些核心集群围绕着最高度连接的物质，这些物质被外壳中的其他物质包围，以及一些其他定义明确的子网络。
2002-06-17 cond-mat.dis-nn q-bio.MN
Uncovering the hidden geometry behind metabolic networks
代谢是生命和疾病背后的迷人细胞机制，基因组规模的重建为我们提供了对其复杂性的迷人看法。然而，破译代谢结构和功能之间的关系仍然是一个重大挑战。特别是，将观察到的结构性的神经元转化为系统功能的组织原则是一项至关重要的任务，在赋予代谢的复杂网络表示以几何距离的概念之后，这一任务可以得到显著解决。在这里，我们设计了一个代谢网络的地图，通过将它们嵌入到一个简单的几何图形中，为它们观察到的网络拓扑结构提供了一个自然的解释，并将节点邻近度编码为隐藏的结构相似性的度量。我们假设一个简单的和一般的连接性法律，使更多的概率相互作用的代谢物/反应对更接近的隐藏空间。值得注意的是，我们发现了一个惊人的一致性之间的建筑E。大肠杆菌和人类细胞的代谢和基本的几何结构。此外，形式主义揭示了一个骨干样结构的基础上的定量串扰连接的生化途径。因此，通路获得了一个新的视角，挑战了它们作为独立功能单元的经典观点。
2011-09-09 cond-mat.dis-nn physics.soc-ph q-bio.MN
Assessing the significance of knockout cascades in metabolic networks
复杂网络已经被证明对随机结构扰动具有鲁棒性，但对有针对性的攻击很脆弱。鲁棒性分析通常模拟删除单个或多组节点，然后评估造成的损害。对于复杂的代谢网络，有人提出，进化压力可能有利于对反应去除的鲁棒性。然而，去除反应及其对网络的影响也可以被解释为对通路活动的选择性调节，这表明调节效率和脆弱性之间的权衡。在这里，我们采用级联故障算法来模拟从两个生物体的代谢网络中去除单个和成对的反应，并使用两种不同的空模型来估计结果的显著性：度保持和质量平衡随机化。我们的分析表明，进化压力促进了更大的级联非可行的反应，从而有利于以牺牲鲁棒性为代价的有效代谢调节的能力。
2012-10-10 q-bio.MN
Flux-based classification of reactions reveals a functional bow-tie organization of complex metabolic networks
解开复杂生物网络的结构并将其与其功能作用联系起来是系统生物学的一项重要任务。在这里，我们试图描述三种微生物的大规模代谢网络的功能组织。我们应用通量平衡分析来研究这些生物在不同环境中的最佳生长状态。通过研究不同环境下不同通量模式下反应的差异使用，我们观察到反应活性的显著双峰分布。受此启发，我们提出了一个简单的算法分解的代谢网络分为三个子网络。事实证明，我们的反应分类器，这是盲目的生化作用的途径，导致三个功能相关的子网络，对应于输入，输出和中间部分的代谢网络具有不同的结构特征。我们的分解方法揭示了代谢网络的功能蝴蝶结组织，这与不包含功能的图论方法确定的蝴蝶结结构不同。
2012-12-09 q-bio.MN
Metabolic Flux Analysis in Isotope Labeling Experiments using the Adjoint Approach
Sorbonne University, Université de technologie de Compiègne（索邦大学，贡比涅技术大学）；Université de Picardie Jules Verne（亚眠大学）
本文提出利用共轭方法加速代谢流分析中的梯度计算，提升计算效率，并通过大肠杆菌中心代谢途径的数值结果验证了方法的有效性。
2016-01-18 cs.NA math.NA math.OC
The MetaboX library: building metabolic networks from KEGG database
在代谢组学的许多关键应用中，如毒理学或营养基因组学，人们感兴趣的是分析和检测代谢过程中的变化，通常以途径的形式表示。作为一种替代办法，更广泛的视角将使调查人员能够更好地了解不同进程中实体之间的关系。因此，将一个可能的扰动与几个已知过程联系起来是这一研究领域的一种新方法。我们建议使用的反应物，酶和代谢物的代谢网络表示。为了模拟这些系统，可以描述酶和代谢物之间的反应和关系。通过这种方式，分析某些代谢物或酶的变化对不同过程的影响更容易理解，检测和预测。结果：我们发布了MetaboX库，这是一个开源PHP框架，用于从一组化合物开发代谢网络。该库使用存储在Kyoto Encyclopedia for Genes and Genomes（KEGG）数据库中的数据，并使用其REST风格的应用程序编程接口（API）和方法来增强对KEGG Web服务返回的信息的操作。MetaboX库包括提取有关感兴趣资源（例如代谢物，反应和酶）的信息以及构建反应物网络，二分酶-代谢物和单分酶网络的方法。这些网络可以以不同的格式导出，以便使用标准工具进行数据可视化。作为一个案例研究，从糖酵解途径的一个子集建立的网络进行了描述和讨论。结论：使用这样的库的优点意味着能够用由代谢物KEGG ID的集合表示的很少的起始信息对复杂系统进行建模。
2014-07-16 q-bio.MN
Viable flux distribution in metabolic networks
代谢网络在大规模生物网络中是一个独特的案例，它在大量生物中得到了很好的表征。出于这个原因，他们提供了一个非常有趣的框架，分析听话的统计力学模型的建设。在本文中，我们介绍了一个可解模型的流量分布的代谢网络。我们表明，通量的分布上的拓扑结构的效果是允许其值的大的波动，这一事实应该有影响系统的鲁棒性。
2007-05-21 q-bio.MN
A compact model of Escherichia coli core and biosynthetic metabolism
本文提出了针对大肠杆菌K-12 MG1655的手动精选中等规模代谢模型iCH360，聚焦核心能量与生物合成代谢，克服了基因组规模模型难分析的问题，并展示了其在多种分析场景中的实用潜力。
2025-04-19 q-bio.MN q-bio.QM
Toolbox model of evolution of prokaryotic metabolic networks and their regulation
据报道，在原核基因组中编码的转录因子的数量与它们的基因总数近似成二次方。我们提出了一个概念性的解释这一发现，并说明它使用一个简单的模型，在该模型中，代谢和调控网络的原核生物的共同调节代谢途径的水平基因转移的形状。适应由新的转录因子（例如，学习使用另一种营养素）包括获得新的酶和重新使用一些已经编码在基因组中的酶。随着生物体的酶库（工具箱）变得越来越大，它可以更频繁地重复使用其酶工具，因此需要更少的新工具来掌握每项新任务。从这一观察结果中，逻辑上可以得出，功能任务及其调节因子的数量随着编码酶的基因总数的增加而增加，而不是线性增加。基因组也可以缩小，例如，这是因为环境中的营养素损失，随后其调节因子和所有酶的缺失变得多余。我们提出了几个简单的网络演化模型，阐述了这个工具箱的论点，并再现了经验观察到的二次缩放。在我们的模型中的路径分支的长度分布与大肠杆菌的现实生活中的代谢网络。因此，我们的模型为原核生物中调节子大小的广泛分布提供了定性解释。
2010-09-22 q-bio.GN q-bio.MN q-bio.PE
Constraint-based inverse modeling of metabolic networks: a proof of concept
本文研究了从经验通量数据推断代谢网络模型中通量构型概率分布的问题。对于要检索实验平均值的简单情况，数据由玻尔兹曼分布（$\propto e^{F/T}$）描述，其中$F$是通量的线性组合，“温度”参数$T\geq 0$允许波动。零温度极限对应于通量平衡分析场景，其中目标函数（$F$）被最大化。作为一个测试，我们逆建模，通过玻尔兹曼学习，大肠杆菌的分解代谢核心在葡萄糖限制的有氧静止生长条件。当$F$是生物质生产和葡萄糖摄取的简单组合并且温度是有限的（这意味着存在波动）时，经验平均值被最好地再现。这里提出的方案有可能提供新的定量了解细胞代谢。然而，我们的实现是计算密集型的，并强调了对代谢网络的高维解空间进行采样的有效算法在该领域可以发挥的主要作用。
2017-04-26 cond-mat.dis-nn cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
A Van-Der-Waals picture for metabolic networks from MaxEnt modeling: inherent bistability and elusive coexistence
本文定义了生长速率的一阶矩和二阶矩约束下的代谢网络稳态空间的最大熵分布。快和慢表型的固有双稳态，类似于范德瓦尔斯图，出现在考虑控制平均增长（优化/抑制）及其波动（异质性）。这适用于大肠杆菌的碳分解代谢核心，其中它与关于持久性表型的一些程式化事实一致，并且它提供了具有代谢通量的定量图，从而为从通量数据检测共存的可能性打开了大门。另一方面，对标准条件下大肠杆菌培养物数据的初步分析显示，在共存区域中延伸的推断参数具有简并性。
2017-07-02 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.MN
Structural thermokinetic modelling
如果动力学常数未知，将代谢网络转化为动力学模型是困难的。结构动力学模型（SKM）用独立的随机数代替反应弹性。在这里，我提出了一个变量，占可逆反应和热力学：在结构热动力学建模（STM），相关的弹性计算从酶的饱和值和热力学力，这是物理上独立的。STM依赖于一种依赖模式，在这种模式中，基本变量可以被采样、拟合到数据或优化，而所有其他变量都是从它们中计算出来的。依赖模式中的概率分布定义了一个模型集合，即使数据稀缺，也会导致概率预测。STM强调了生物变量的变异性、依赖性和协方差的重要性。通过选择或采样基本变量，我们可以将代谢网络转化为具有一致可逆速率定律的动力学模型。从这些模型中获得的代谢控制系数可以告诉我们代谢动力学，包括对扰动的响应和最佳适应，以及酶协同作用，代谢物相关性和化学噪声引起的代谢波动。通过比较具有不同网络结构、通量、热力学力、调节或速率定律类型的模型变体，我们可以量化这些模型特征的影响。为了展示STM，我研究代谢控制，代谢波动和酶的协同作用，以及它们如何被热力学力量塑造。热力学可以用来获得更精确的预测流量控制，酶的协同作用，相关的流量和代谢物的变化，以及代谢噪音的出现和传播。
2022-03-07 q-bio.MN
Essentiality landscape of metabolic networks
个别代谢反应的局部扰动可能导致不同程度的致死性，这取决于它们在代谢中的作用以及因其失效而引起的后续级联反应的大小。此外，个体代谢反应的必要性可能在物种内和物种间表现出很大的差异。在这里，我们量化的重要性，在数百个物种的计算增长率后，删除个人和对反应的通量平衡分析。我们发现大约10%的反应是必要的，即，没有它们，生长就会停止，而在每个物种的代谢网络中，大多数剩余的反应都是多余的。这种大规模和跨物种的研究使我们能够确定每个反应和物种的特定年龄。我们发现，当一个反应是老的，并包含在年轻的物种，反应更有可能是必不可少的。这种必要性与反应和物种的年龄的相关性可能是由于细胞代谢的进化，其中替代途径被招募，以确保重要反应在不同程度上跨物种的稳定性。
2018-10-16 q-bio.MN q-bio.QM
Structural Kinetic Modeling of Metabolic Networks
发展和研究细胞代谢过程的详细数学模型是系统生物学的主要挑战之一。然而，尽管代谢网络的拓扑分析取得了相当大的进展，基于微分方程的显式动力学建模仍然经常受到酶动力学速率定律及其相关参数值的知识不足的严重阻碍。在这里，我们提出了一种方法，其目的是给代谢系统的动力学能力的详细和定量的帐户，而不需要任何明确的信息的特定功能形式的速率方程。我们的方法是基于在参数空间中的每个点构建一个局部线性模型，使得模型的每个元素可以直接通过实验获得，或者可以进行简单的生化解释。这种局部线性模型的集合，包括所有可能的明确的动力学模型，然后允许全面的参数空间的系统的统计探索。该方法适用于两个典型的例子：酵母的糖酵解途径和光合卡尔文循环的现实规模的代表。
2006-02-01 q-bio.CB q-bio.MN
Stochastic modelling reveals mechanisms of metabolic heterogeneity
表型变异是细胞生理学的标志。代谢的异质性，特别是单细胞现象，如微生物的耐药性和生长的变异性。许多研究都集中在转录组和蛋白质组的异质性，但目前还不清楚，如果这种变化渗透到细胞的代谢状态。在这里，我们提出了一个随机模型，以表明复杂形式的代谢异质性出现在酶的表达和催化的波动。分析预测克隆种群分裂成两个或两个以上的代谢不同的亚群。我们揭示了在确定性模型中看不到的机制，其中具有单峰表达分布的酶导致在整个人群中具有双峰或多峰分布的代谢物。基于已发表的数据，结果表明代谢物异质性可能比以前认为的更普遍。我们的工作揭示了基因表达和代谢之间的联系，并为探索代谢物异质性的来源提供了理论依据。
2019-01-29 q-bio.MN
DuctApe: a suite for the analysis and correlation of genomic and OmnilogTM Phenotype Microarray data
解决基因组的功能是当今生物学最重要和最具挑战性的任务之一。特别是将基因型与相应的表型联系起来的能力在代谢途径的重建和生物技术操作中是有意义的。在过去的几年中，OmniLogTM表型微阵列（PM）技术已被用于解决与微生物代谢功能相关的许多具体问题。然而，能够直接将PM数据与感兴趣的基因联系起来，然后提取基因表型相关性信息的计算工具仍然缺失。在这里，我们提出了DuctApe，一个套件，允许分析基因组序列和PM数据，以发现PM实验之间的代谢差异，并将它们与KEGG途径和基因存在/不存在模式相关联。作为例子，该程序的应用程序的四个细菌数据集。源代码和教程可以在http://combogenomics.github.io/DuctApe/上找到。
2013-12-13 q-bio.GN q-bio.MN
Metabolic Regulatory Network Kinetic Modeling with Multiple Isotopic Tracers for iPSCs
本文针对iPSCs培养过程开发了一个聚焦中枢碳代谢网络的机制动力学模型，利用多重同位素示踪剂等多条件数据学习代谢调控机制，经交叉验证能有效预测细胞代谢与培养动态，从而支持最优培养条件选择及再生医学的大规模制造。
2023-10-26 q-bio.CB q-bio.MN
The importance of crowding in signaling, genetic, and metabolic networks
现在已经确定，牢房是一个高度拥挤的环境。然而，拥挤对信号通路、基因调控网络和代谢网络的动态的影响在很大程度上仍然是未知的。拥挤可以改变分子扩散和生物分子反应的平衡。在这篇综述中，我们首先讨论扩散如何影响生化网络。转录因子的扩散可以增加基因表达中的噪声，而蛋白质在细胞内区室之间或细胞之间的扩散可以减少浓度波动。在推拉网络中，扩散会阻碍信息传递，而在多位点蛋白质修饰网络中，扩散会定性地改变系统的宏观响应，例如双稳态的丧失或出现。此外，扩散可以直接改变代谢通量。我们描述了拥挤如何影响扩散，从而所有这些现象是如何受到拥挤的影响。然而，一个潜在的更重要的影响，拥挤的生化网络介导的双分子反应的平衡的转变，我们提供了支持这一想法的计算证据。最后，我们讨论了拥挤的影响可以纳入生化网络模型。
2013-11-18 q-bio.MN q-bio.SC
Stochastic simulation algorithm for isotope-based dynamic flux analysis
碳同位素标记方法是一种标准的代谢工程工具，用于活细胞中的通量定量。为了应对同位素标记系统的高维性，已经开发了多种算法来减少代谢通量分析（MFA）中的变量或操作的数量，但是缺乏对非平稳代谢条件的概括性。在这项研究中，我们提出了一个随机模拟算法（SSA）来自同位素标记系统的化学主方程。该算法允许在非平稳条件下计算同位素异构体浓度的时间演化，具有计算时间不随同位素异构体的数量缩放的有价值的性质。该算法的效率和局限性是基准的正问题和逆问题的13 C-DMFA在戊糖磷酸途径。总体而言，SSA构成了一个替代类的确定性方法代谢通量分析，很好地适应于全面的数据集，包括平行标记实验，其局限性相关的采样大小可以通过使用蒙特卡洛采样方法来克服。
2022-02-10 q-bio.MN
On Dynamically Generating Relevant Elementary Flux Modes in a Metabolic Network using Optimization
基本通量模式（EFM）是通过代谢反应网络将外部底物连接到产物的途径。使用EFM，可以将代谢网络转换为其宏观对应物，其中内部代谢物已被消除，仅保留外部代谢物。在基于EFM的代谢通量分析（MFA）中，实验确定的外部通量被用来估计每个EFM的通量。一般来说，枚举复杂网络的所有EFM是不允许的，因为EFM的数量随着网络的复杂性而迅速增加。在这项工作中，我们提出了一种基于优化的方法，动态生成一个子集的EFM和解决基于EFM的MFA问题的同时。得到的子集包含的EFMs，有助于最优解的EFMs为基础的MFA问题。我们的方法的有用性进行了检查，在一个案例研究中使用的数据从中国仓鼠卵巢细胞培养和两个网络的不同的复杂性。结果表明，基于EFMs的MFA问题可以在较低的计算成本，即使是更复杂的网络解决。此外，只需要一小部分的EFM总数计算的最优解。
2014-10-10 math.OC q-bio.MN
Edge vulnerability in neural and metabolic networks
生物网络，如细胞代谢途径或大脑中的皮质连接网络，组织复杂，但对结构损伤非常强大。虽然许多研究已经调查了鲁棒性的具体方面，如修复的分子机制，但本文更普遍地关注网络中的局部结构特征如何导致其全局稳定性。在许多网络中，单个连接的失败可能比整个节点的灭绝更有可能，但到目前为止，还没有对生物网络的边缘重要性（边缘脆弱性）进行分析。我们测试了几种识别脆弱边缘的方法，并比较了它们在生物和人工网络中的预测性能。在测试的措施中，边缘频率在网络的所有最短路径产生了特别高的相关性与脆弱性，并确定在生物，但不是在随机和无标度的基准网络集群间的连接。我们讨论了不同的本地和全球网络模式和边缘的脆弱性，从而导致他们。
2004-03-15 q-bio.MN q-bio.NC
Genome-scale estimate of the metabolic turnover of E. Coli from the energy balance analysis
在这篇文章中，代谢营业额的概念是根据最近的结果重新平衡热力学。通过蒙特卡罗方法，我们执行一个精确的均匀采样的稳态通量在基因组规模的大肠杆菌代谢网络，我们推断代谢物周转时间。然而，后者是从净通量推断，我们认为，这种近似是无效的酶附近的热力学平衡。我们重新计算周转时间从总通量进行能量平衡分析的网络和经常性的波动定理。我们发现，在许多情况下，值的数量级较低，这意味着一个更快的图片中间代谢。
2015-05-18 physics.bio-ph q-bio.MN
SteatoNet- Modelling steatosis identifies candidate systemic flux distribution deregulations
与非酒精性脂肪性肝病（NAFLD）相关的因素的功能多样性需要利用整体方法来研究NAFLD发病机制的网络特性。我们描述了第一个小鼠特异性多组织代谢模型SteatoNet的生成，以研究NAFLD相关的脂肪变性，通过利用面向对象的建模方法，并纳入许多肝脏代谢途径，它们与外周组织的相互作用以及转录和翻译后水平的分级反馈调节。独特的验证模型是基于稳态分析的常微分方程，允许调查的系统行为的情况下估计的动力学参数。模型分析表明代谢通量分布参数在控制代谢物浓度中的重要性，并确定了网络中可能在启动NAFLD中发挥关键作用的关键焦点。虽然需要实验验证，但SteatoNet确定的候选触发因素提供了对NAFLD网络特性的深入了解，并强调了SteatoNet作为假设生成和探索相关代谢疾病的主要研究工具的前景和潜力。
2013-09-05 q-bio.MN
Uncertainty-aware integration of deuterium metabolic imaging with genome-scale metabolic modeling reveals diet-associated feasible-space remodeling in mouse skeletal muscle
Heinrich Heine University Düsseldorf（杜塞尔多夫海因里希·海涅大学）；German Diabetes Center (DDZ), Leibniz Institute for Diabetes Research, Germany（德国糖尿病中心，莱布尼茨糖尿病研究所）；Institute for Molecular Cardiology, Medical Faculty and University Hospital Düsseldorf, Heinrich-Heine-University Düsseldorf, Germany（杜塞尔多夫大学医学院及附属医院分子心脏病学研究所）；Cardiovascular Research Institute Düsseldorf (CARID), Medical Faculty and University Hospital Düsseldorf, Heinrich-Heine University Düsseldorf, Germany（杜塞尔多夫心血管研究所）；German Center for Diabetes Research, Partner Düsseldorf, München-Neuherberg, Germany（德国糖尿病研究中心）
本研究开发了不确定性感知工作流程，整合氘代谢成像与基因组尺度代谢建模，揭示高脂饮食小鼠不同骨骼肌代谢可行空间的差异重塑。
2026-10-14 q-bio.MN
Energy-based Analysis of Biomolecular Pathways
将生物分子反应网络分解为途径是分析代谢和信号网络的有力方法。基于化学计量矩阵分析的当前方法揭示了通过网络的稳态质量流（反应速率）的信息。在这项工作中，我们展示了如何使用基于能量的方法来扩展生物分子网络的途径分析，以提供有关网络能量流的信息。这种基于能量的方法是使用工程启发的键合图方法来表示生物分子反应网络。以糖酵解为例介绍了该方法，然后将其应用于分析转运蛋白（钠-葡萄糖转运蛋白1，SGLT 1）的生物分子循环模型中自由能转导的效率。我们工作的总体目标是提出一个考虑能量流动和损失以及质量传输的生物分子反应和过程建模和分析框架。
2017-05-23 q-bio.MN
Computation of single-cell metabolite distributions using mixture models
代谢异质性被广泛认为是我们理解非遗传变异的下一个挑战。越来越多的证据表明，代谢异质性可能是由于细胞内事件的内在随机性。然而，代谢传统上被认为是一个纯粹的确定性过程，其基础是高度丰富的代谢物往往会过滤掉随机现象。在这里，我们用一种预测单细胞代谢物分布的通用方法来弥合这一差距。通过利用酶表达和酶动力学之间的时间尺度的分离，我们的方法产生代谢物分布的估计，而无需大型代谢模型通常需要的冗长的随机模拟。代谢物分布采用高斯混合模型的形式，其可直接从单细胞表达数据和代谢途径的标准确定性模型计算。建议的混合物模型提供了一个系统的方法来预测生化参数对代谢物分布的影响。我们的方法为确定形成代谢异质性的分子过程及其在疾病中的功能意义奠定了基础。
2020-10-07 q-bio.BM q-bio.MN q-bio.QM
Statistical mechanics for metabolic networks during steady-state growth
代谢网络的哪些性质可以仅仅从网络组成反应的化学计量信息中推导出来？通过通量平衡分析（FBA），通过假定细胞在允许的化学计量内设定代谢通量以使其生长最大化，已经获得了预测结果。在这里，我们将这个框架推广到单细胞水平，使用统计物理学中的最大熵模型。我们定义和计算，大肠杆菌的核心代谢，在所有通量的联合分布，产生实验观察到的增长率。这种解决方案，含有FBA作为限制性的情况下，提供了一个更好的匹配，在野生型和几个突变体中测得的通量。我们发现E.大肠杆菌代谢接近，但不是在，由FBA假设的最优。此外，我们的模型进行了广泛的预测：（i）通量变化，其调节，以及各个细胞之间的通量相关性;（ii）化学计量约束与生长速率优化的相对重要性;（iii）单细胞生长速率分布的定量缩放关系。我们使用来自在不同亚抑制抗生素浓度下在微流体装置中生长的单个细菌细胞的数据来验证这些缩放预测。在温和的动力学假设下，波动响应关系进一步预测的自相关时间尺度的增长数据和增长率适应时间的环境扰动。
2017-03-06 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.MN
P53 Orchestrates Cancer Metabolism: Unveiling Strategies to Reverse the Warburg Effect
本文通过构建整合 p53 关键靶点的数学模型，揭示 p53 如何协调代谢重编程以逆转 Warburg 效应，并提出在 p53 突变情况下靶向糖酵解信号通路可作为替代治疗策略。
2024-08-02 math.DS q-bio.MN
Blood-based metabolic signatures in Alzheimer's disease
引言：基于血液的代谢变化的识别可能提供早期和易于获得的生物标志物。方法：我们纳入了127例AD患者和121例对照，这些患者均经CSF生物标志物证实诊断（tau/A $β_{42}$临界值：0.52）。质谱平台测定了53种胺、22种有机酸、120种脂质和40种氧化应激化合物的浓度。评估了多个签名：差异表达（嵌套线性模型）、分类（逻辑回归）和调节（网络提取）。结果：26种代谢产物差异表达。Metalloy将临床变量的分类性能从74%提高到79%。网络模型确定了代谢失调的5个枢纽：酪氨酸、甘氨酰甘氨酸、谷氨酰胺、溶血磷酸C18：2和血小板活化因子C16：0。与APOE $ε$ 4阳性AD患者的代谢物网络相比，APOE $ε$ 4阴性AD患者的代谢物网络的内聚性较低。讨论：多个签名指向各种有希望的外周标记物以进行进一步验证。不同APOE基因型AD患者的网络差异可能反映了AD发病的不同途径。
2017-09-21 q-bio.MN q-bio.NC stat.AP
Fast reconstruction of compact context-specific metabolic networks via integration of microarray data
最近，我们提出了一种用于快速重建紧凑上下文特定代谢网络（FASTCORE）的算法，该算法允许将重建时间降低到秒的时间量级（Vlavis et al.，2014年）。这种极低的计算需求为提高模型的质量开辟了新的可能性。重建高质量的模型需要几轮模型重建、根据真实实验数据测试模型的预测、输入模型和核心反应集的管理步骤以及交叉验证分析。这些半自动化的模型策展步骤在这种程度上是不可能的竞争算法，由于他们的高计算需求。为了适应FASTCORE的集成微阵列数据，因此，我们提出了一个新的工作流程：FASTCORMICS。FASTCORMICS需要输入微阵列数据和基因组规模的重建。FASTCORMICS没有启发式参数设置，并且具有低计算需求，总体构建时间大约为几分钟。FASTCORMICS用离散化工具Barcode预处理微阵列数据（Zillox等，2007）。条形码使用关于给定微阵列平台的每个探针组的强度分布的先验知识，以在表达的基因和非表达的基因之间分离。该预处理步骤允许规避设置启发式表达阈值的需要，这对于输出模型是关键的，因为响应于该阈值，可能包括或排除替代路径或子系统，从而严重改变模型的功能。一般来说，FASTCORMICS优于竞争算法，并允许以高吞吐量的方式获得高质量，鲁棒的模型。这将允许使用代谢建模作为用于分析微阵列数据的常规过程，例如在个性化医学领域。
2014-07-24 q-bio.MN
Genome-scale reconstruction of the metabolic network in Yersinia pestis, strain 91001
革兰氏阴性菌鼠疫耶尔森氏菌是淋巴腺鼠疫的病原体，是人类已知的最致命的病原体之一。尽管鼠疫在历史上享有盛誉，但它是一种现代疾病，每年折磨着成千上万的人。公共安全的考虑极大地限制了对这种微生物的临床实验，因此开发理论工具来分析这种病原体的能力是至关重要的。在这里，我们报告的第一个基因组规模的代谢模型的基础上，鼠疫耶尔森氏菌生物变种Mediaevalis最近注释的基因组，生理和生化数据的文献。我们的模型与Y.鼠疫菌已知的代谢需要和能力。自从Y.鼠疫是一种小型营养生物，我们已经开发了CryptFind，一种系统的方法来识别所有负责已知和理论小型营养现象的候选隐藏基因。除了发现所有已知的Y染色体隐性基因外。在鼠疫杆菌中，我们对鼠李糖发酵途径的分析表明betB是负责的隐藏基因。尽管我们的医学有了很大的进步，但我们仍然没有淋巴腺鼠疫的疫苗。最近发现的鼠疫耶尔森氏菌的抗生素耐药菌株，再加上鼠疫被用作生物恐怖主义武器的威胁，迫使我们开发新的工具来研究这种致命病原体的生理学。使用我们的理论模型，我们可以研究不同情况下的细胞表型行为，并确定可能用于开发治疗方法的代谢弱点。此外，隐藏基因的自动识别扩展了基因组数据用于制药目的的用途。
2009-03-25 q-bio.CB q-bio.GN q-bio.MN
Chemical Transformation Motifs - Modelling Pathways as Integer Hyperflows
我们提出了一个详细的框架，正式建模的化学反应网络的机制水平上的途径。网络在数学上被建模为有向多重超图，顶点对应于分子，超边对应于反应。路径被建模为整数超流，我们扩展了详细的路由约束的网络模型。与更传统的方法如通量平衡分析或基本模式分析相反，我们坚持整数值流。虽然这种选择使得有必要解决可能很难的整数线性规划，但它的优点是可以制定更详细的机械问题。因此，可以查询网络的一般转换基序，并自动枚举最佳和接近最佳的途径。详细讨论了我们的工作与传统的代谢网络分析方法之间的相似性和差异。为了证明数学框架对现实生活中问题的适用性，我们首先探索了可能的非氧化糖酵解途径的设计空间，并表明最近手动设计的途径可以进一步优化。然后，我们使用一个模型的糖化学研究途径中的自催化formose过程。基于图变换的方法被用来自动生成感兴趣的反应网络。
2017-12-07 cs.DM q-bio.MN
The Emergence of Chirality from Metabolism
本研究通过模拟生物圈规模代谢网络演化，揭示了非手性分子如何产生手性分子并形成手性富集规律，为理解生命起源中的手性选择及寻找生物特征提供了新途径。
2025-05-02 q-bio.MN
Power laws in biological networks
快速发展的复杂网络理论表明，真实的网络不是随机的，而是具有高度鲁棒的大规模架构，由严格的组织原则支配。在这里，我们专注于生物网络的属性，讨论他们的无标度和层次的特点。我们说明了主要的网络特性，使用的例子从大肠杆菌的代谢网络。我们还讨论了网络利用的原则，承认在一个真正的网络中的相互作用有不平等的力量。我们研究拓扑结构和反应通量之间的相互作用提供的通量平衡分析。我们发现，细胞利用的代谢网络是全球和局部高度不均匀的，占主导地位的“热点”，代表连接的高通量途径。
2004-01-07 cond-mat.dis-nn q-bio.CB q-bio.MN
Thermodynamic ranking of pathways in reaction networks
该研究针对不可逆随机过程中边界条件的能量成本难题，在化学反应网络（CRNs）框架下基于大偏差理论定义了含维护和限制两部分的路径热力学成本函数，证明了相关成本下界等结论，为开放CRNs热力学及代谢网络演化研究提供基础。
2025-10-29 cond-mat.stat-mech nlin.AO q-bio.MN
