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
Conservation of high-flux backbone in alternate optimal and near-optimal flux distributions of metabolic networks
基于约束的通量平衡分析（FBA）已被证明在预测不同环境条件下代谢网络的通量分布方面是成功的。FBA找到使生物质生产率最大化的备选最优解之一。Almaas等人已经表明，通量分布遵循幂律，并且可能与大多数代谢物相关的两个反应分别最大限度地产生和消耗给定代谢物。这一观察结果导致了代谢网络中高通量骨架（HFB）的概念。在以前的工作中，HFB已经使用通过FBA获得的特定最优值进行了计算。本文研究了在给定的培养基下，E. coli和革兰氏阳性菌S.啤酒。使用通量变异性分析（FVA），我们提出了一种方法来确定反应，保证在HFB，而不考虑替代解决方案。我们发现，在E. coli中，而在S.啤酒。然而，在两种生物体中，特定的近最佳状态的HFB在交替的近最佳状态之间显示出较大的变化。我们证明了HFB中的保守反应集与本质反应和唯一消耗（UC）和唯一产生（UP）的反应有很大的重叠.我们的研究结果表明，代谢网络的结构在接近最佳的流动模式中具有高度的冗余性和可塑性，从而增强了系统在给定环境条件下的鲁棒性。
2009-05-17 q-bio.MN
The enzyme cost of given metabolic flux distributions, as a function of logarithmic metabolite levels, is convex
在进化和生物工程中，酶的成本在代谢途径的选择中起着重要作用。给定所需的通量，可以基于已知的速率定律和最小酶成本的原则来估计所需的酶水平。以对数代谢物水平为自由变量，酶的成本函数和约束条件的最优性和抽样问题可以很容易地处理。这组可行的代谢物谱在对数浓度空间中形成一个多面体，其点代表动力学模型的所有可能的稳态。我们表明，酶的成本是一个凸函数在这个多胞形。这使得酶成本最小化-找到以最小成本实现所需通量的最佳酶谱和相应的代谢产物谱-凸优化问题。
2015-01-11 q-bio.MN
Flux cost functions and optimal metabolic states
细胞中的代谢通量遵循物理、生物化学和经济学原理。一些通量平衡分析（FBA）方法权衡通量效益与通量成本。然而，如果通量成本函数是线性的，并且旨在描述潜在的酶成本，则这意味着酶效率是恒定的，并且忽略通量、代谢物浓度和细胞中酶水平之间的相互作用。在这里，我介绍了现实的通量成本函数，描述了“开销成本”，即最低酶和代谢产物的成本与通量的动力学模型。这些通量成本函数具有一般的数学性质。酶的流量成本函数，代表酶的成本，规模与流量的配置文件成比例，并在流量多面体凹。动力学通量成本函数表示酶和代谢物成本的总和。如果两个通量曲线叠加，它们对代谢物浓度的不同需求会导致额外的折衷成本，这使得通量成本函数在几乎所有情况下都是严格凹的。当通量改变方向时，酶的成本会突然增加。在这里，我提出了两种方法通量建模：通量成本最小化，FBA与通量最小化的非线性变体，和通量效益优化，FBA与分子拥挤的非线性变体。在给定的通量效益下，最优通量剖面是通量多面体的顶点。酶通量成本的线性近似可用于FBA。与特别选择的通量成本相反，这些函数反映了现实动力学模型中的酶动力学和细胞外浓度。基于酶的通量成本，我们可以描述的细胞生长速率作为一个凸函数的通量多面体，并推导出生长最佳的代谢状态和统计分布的通量在细胞群体。
2022-10-04 q-bio.MN
The protein cost of metabolic fluxes: prediction from enzymatic rate laws and cost minimization
细菌的生长关键取决于代谢通量，这是由细胞的能力，以维持代谢酶的限制。每单位流量所需的酶量是进化和生物工程中代谢策略的主要决定因素。它取决于酶参数（如kcat和KM常数），但也取决于代谢物浓度。此外，相似数量的不同酶可能会导致细胞产生不同的成本，这取决于酶的特定特性，如蛋白质大小和半衰期。在这里，我们开发了酶成本最小化（ECM），一种可扩展的方法，用于计算以最小蛋白质成本支持给定代谢通量的酶量。酶和代谢物浓度的复杂相互作用，例如通过热力学驱动力和酶饱和度，将使得难以直接解决该优化问题。通过将酶成本作为代谢物水平的函数来处理，我们将ECM制定为数值上易于处理的凸优化问题。它的分层方法允许根据可用数据的数量在不同的详细程度上构建模型。用E.大肠杆菌中心代谢，我们发现典型的预测倍数误差分别为3.8和2.7，为两种数据。ECM可用于预测天然和工程途径中的酶水平和蛋白质成本，建立蛋白质成本和热力学之间的直接联系，并提供物理上合理且计算上易于处理的方式将酶动力学纳入基于约束的代谢模型中，其中动力学通常被忽略或过度简化。
2016-04-01 q-bio.MN
Accelerating flux balance calculations in genome-scale metabolic models by localizing the application of loopless constraints
背景资料：基因组尺度的代谢网络模型和基于约束的建模技术已成为分析细胞代谢的重要工具。热力学不可行循环（TIC）导致的代谢通量范围不受限制是经常遇到的问题。TIC满足质量平衡和方向性约束，但违反热力学第二定律。目前的做法涉及实施额外的约束，以确保不仅是最佳的，但也无环通量分布。然而，需要解决的混合整数线性规划问题在计算上变得难以处理的基因组规模的代谢模型。结果：我们的目的是确定所需的最少的约束条件下，无循环的要求，足以达到最优。我们发现，只有共享基本通量模式代表TIC与反应的目标函数的一部分的反应，需要无环约束。我们提出了本地化的无环约束（LLC）的概念，以执行这一最小的无环约束的要求。通过结合最小零空间计算的新程序，与原始无环约束相比，无环通量变化分析的计算时间减少了10-150倍，与目前最快的方法Fast-SNP相比减少了4-20倍，并且百分比改进随着模型大小而增加。重要的是，LLC提供了一种可扩展的策略，用于以前不可行的非常大尺寸（例如>104个反应）的多室/多生物体模型的无环通量计算。Matlab函数可在https://github.com/maranasgroup/lll-FVA上获得。
2017-11-11 q-bio.MN
Detecting the Escherichia coli metabolic backbone
存在于单一通量状态内的代谢网络中的反应通量的异质性可以被利用来构建所谓的骨架作为代谢的简化版本。主链保持所有产生或消耗代谢物的显著通量，同时显示出显著减少的互连数量，因此，它成为提取主要代谢途径的有用工具。在这里，我们公开了代谢骨干大肠杆菌使用计算预测的流量，最大限度地提高在葡萄糖基本培养基中的生长速度，我们比较它的骨干肺炎支原体，一个简单得多的有机体。我们发现，在这两个骨干的中央核心主要是由古老的途径，目前仍然发挥着关键作用的能量代谢的反应。在大肠在大肠杆菌中，对主链的分析表明，核苷酸的合成和脂质的代谢形成了更小的核心，这些核心严重依赖于能量代谢;但反之亦然。与此同时，这一骨干媒体组合物的依赖性的分析导致识别对环境变化敏感的途径。因此，生物体的代谢骨架有助于同时追踪其进化和适应指纹。
2016-02-21 q-bio.MN
Control principles of metabolic networks
破译代谢的控制原则及其与其他细胞功能的相互作用是生物医学和生物技术的核心。然而，理解代谢通量的有效控制对于大规模代谢网络仍然是难以捉摸的。现有的方法要么需要指定一个蜂窝目标，或者由于计算复杂性而限于小型网络。在这里，我们开发了一个有效的计算框架，通过引入一套完整的磁通耦合关系的磁通控制。我们分析了来自所有生命王国的23个代谢网络，并确定了促进其大规模控制的驱动反应。我们发现大多数单细胞生物比多细胞生物需要更少的控制。鉴定的驱动反应在大肠杆菌中处于强转录调控下。在人类癌细胞中，驱动反应在肿瘤发展中起着关键作用，代表着潜在的治疗靶点。所提出的框架有助于我们解开复杂疾病的调控原则，并在基因调控、信号传导和代谢的界面设计新的工程策略。
2015-08-17 q-bio.MN
Metabolic fluxes and value production
细胞中的代谢通量受物理、生理和经济原则的支配。在这里，我假设酶资源的最佳分配，并假定代谢的一般原则：每种酶必须将较低价值转化为更有价值的代谢产物，以证明其自身的成本。被称为经济潜力的“价值”描述了代谢物对细胞适应性的个体贡献。本地价值生产意味着酶的成本必须通过效益来平衡，由催化反应乘以通量的经济潜力差给出。满足这一原则的通量分布--即可以找到一致的电势--被称为经济的。经济通量必须从低到高的经济潜力，因此某些通量周期与任何经济潜力的选择都不相容，可以排除在外。为了获得经济的通量分布，可以从给定的通量分布中系统地去除被称为无用图案的无益局部图案。本地价值生产的原理类似于热力学原理，并在模型中补充它们。在这里，我描述了一个建模框架，称为价值平衡分析（Value Balance Analysis），它使用这两个原则，并产生与酶成本最小化（在动力学模型中）和通量成本最小化（在FBA中）相同的解决方案。给定一个经济的通量分布，在酶的最佳状态和这些通量的动力学模型可以系统地构建。证明了最小通量和无效循环的排除原则，预测酶，可能是合理的目标监管，酶和途径的使用提供了标准，并解释了高产和低产通量模式之间的选择。
2022-10-04 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
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 distribution in metabolic networks close to optimal biomass production
我们研究了一个描述代谢网络中通量稳态分布的统计模型。所得到的连续变量模型可以用空腔法求解。特别是分析的易处理性是可能的解决腔方程的网络具有相同的度分布的真实代谢网络的合奏。优化生物质生产的通量分布具有与底层网络的结构特性无关的幂律指数的厚尾。这些结果与同一系统的通量平衡分析结果完全一致，并且与实验结果定性一致。
2008-04-08 cond-mat.stat-mech q-bio.MN
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
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
Global organization of metabolic fluxes in the bacterium, Escherichia coli
细胞代谢是成千上万种代谢底物通过酶催化的生化反应相互转化的过程，是研究最多的复杂的细胞间分子相互作用网络。虽然个体反应到代谢网络的拓扑组织越来越好地理解，在不同的生长条件下，它们的全局功能利用的原则提出了许多悬而未决的问题。我们实现了一个通量平衡分析的E。大肠杆菌MG 1655代谢，发现网络利用是高度不均匀的：虽然大多数代谢反应有小通量，代谢的活动是由几个反应具有非常高的通量占主导地位。E.大肠杆菌通过重组主要在该高通量主干内的选择通量的速率来响应生长条件的变化。所确定的行为可能代表了所有细胞中代谢活动的普遍特征，对代谢工程具有潜在的影响。
2004-02-28 cond-mat.dis-nn q-bio.CB q-bio.MN
Sampling from the Solution Space and Metabolic Environments of Genome-Scale Metabolic Models
KU Leuven（荷语鲁汶大学）；Université Paris-Saclay, Institut national de recherche pour l'agriculture, l'alimentation et l'environnement (INRAE)（巴黎萨克雷大学，法国国家农业食品与环境研究院）
本文探讨了在基因组尺度代谢模型中通过流量采样分析解空间和代谢环境的方法，介绍了一种无需优化目标函数的采样技术，用于探索物种可能表现出的全部表型范围。
2026-03-31 q-bio.MN q-bio.QM
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
Model Validation and Selection in Metabolic Flux Analysis and Flux Balance Analysis
13 C-代谢通量分析（13 C-MFA）和通量平衡分析（FBA）在生物学和生物技术研究中被广泛用于研究生化网络的运行。这两种方法都使用稳态代谢的代谢反应网络模型，因此反应速率（通量）和代谢中间产物的水平被约束为不变的。它们提供了体内通过网络的通量的估计（MFA）或预测（FBA）值，这些值无法直接测量。已经采取了一些方法来测试基于约束的方法的估计和预测的可靠性，并决定和/或区分替代模型架构。尽管在代谢模型的统计评估的其他领域取得了进展，验证和模型选择方法一直未得到充分的重视和探索。我们回顾了基于约束的代谢模型验证和模型选择的历史和最新技术水平。应用和限制的拟合优度的X2检验，最广泛使用的定量验证和选择方法在13 C-MFA，进行了讨论，并提出了验证和选择的补充和替代形式。一个结合模型验证和选择框架13 C-MFA纳入代谢物池大小的信息，利用该领域的新发展，并主张。最后，我们讨论了如何通过强大的验证和选择程序可以提高信心，在基于约束的建模作为一个整体，并最终促进更广泛的使用FBA在生物技术特别是。
2023-03-22 q-bio.MN q-bio.QM
Utilizing gene regulatory information to speed up the calculation of elementary flux modes
尽管近年来取得了显著的进展，大型甚至基因组规模的代谢网络的基本通量模式的完整集合的计算仍然是不可能的。我们引入了一种新的方法，通过将转录调控信息引入到代谢网络的分析中来加快基本通量模式的计算。考虑到基因调控显着减少了解决方案的空间，并允许所提出的算法不断消除生物不可行的模式在计算过程的早期阶段。因此，计算成本，如运行时间，内存使用和磁盘空间大大减少。因此，使用所提出的模式消除算法将可以通过基本通量模式研究的代谢网络的大小推到新的极限。
2012-08-09 q-bio.MN
Metabolic graphs, LIFE method and the modeling of drug action on Mycobacterium tuberculosis
本文作为一个框架，设计先进的模型药物对代谢的作用。药物治疗可以通过增强或抑制包括代谢网络的代谢反应来影响代谢。我们引入了\textit{metabolic graphs}的概念，这是一个具有代谢网络共同特征的超图的推广。线性通量表达（简称LIFE）是一种用于分析代谢网络和模拟虚拟患者的方法。我们扩展生命动力学与代谢图兼容，包括影响生化反应的增强子和抑制剂分子的更复杂的相互作用。我们讨论的结果，考虑网络结构所需的存在性和唯一性的平衡代谢图，并显示模拟药物作用的\textit{Mycobacterium tuberculosis}（简称MTB）
2020-03-26 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
An ensemble approach to the study of the emergence of metabolic and proliferative disorders via Flux Balance Analysis
细胞代谢的广泛重新布线支持癌细胞中增强的增殖。我们提出了一个系统级的方法来描述这种现象的基础上通量平衡分析（FBA）。该方法没有明确的细胞生物量形成反应最大化，但考虑到替代通量分布，匹配癌症代谢重新布线（CMR）表型描述的合奏。其基本概念是，分析总体的共同/区别性质可以提供关于如何实现和维持CMR的指示，从而可以提供关于如何控制CMR的指示。
2013-09-30 cs.CE q-bio.MN
Environmental versatility promotes modularity in genome-scale metabolic networks
模块在生物网络中的普遍存在可能是由于模块化组织的进化优势。例如，模块化可以增加适应性进化的速率，因为模块可以容易地组合成可以有益于它们的运营商的新布置。相反，模块化可能是某些特性的副产品。我们在这里问，最后一种情况是否可能在基因组规模的代谢网络中发挥作用，这些网络需要在一种或多种化学环境中维持生命。对于这样的网络，我们将网络模块定义为完全耦合的反应的最大集合，即，其通量只能以固定的比例变化。该定义通过利用反应之间的功能联系克服了纯粹基于图的代谢分析的局限性。如果一个代谢网络能从环境中的营养物质合成生物体的所有生物质化合物，我们就称它在给定的化学环境中是可行的。如果一个有机体能在许多不同的化学环境中维持生命，那么它的新陈代谢就具有高度的多样性。我们在这里要问的是，多功能性是否会影响代谢网络的模块化。
2011-08-24 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
Mapping high-growth phenotypes in the flux space of microbial metabolism
细胞代谢的实验和经验观察不能被理解为一个整体，如果没有他们的整合到一个一致的系统框架。然而，代谢通量表型的表征通常被简化为对单个最佳状态的研究，如最大生物量产量，这是迄今为止最常见的假设。在这里，我们面临的最佳增长解决方案，以整套可行的流量表型（FFP），这提供了一个基准，以评估最佳和高增长状态的可能性，并与实验结果的协议。此外，FFP图谱能够揭示代谢行为，例如在营养过剩条件下伴随糖指数增长的有氧发酵，这是使用基于最优性原则的标准模型无法达到的。完整FFP空间的信息内容为我们提供了一个探索和评估代谢行为和能力的地图，因此它为生物技术和生物医学应用开辟了新的途径。
2015-09-02 q-bio.MN
A robust and efficient method for estimating enzyme complex abundance and metabolic flux from expression data
基于约束的建模的一个主要主题是统一的实验数据，如生化信息的反应，可以发生在一个系统或酶复合物的组成和定位，与高通量的数据，包括表达数据，代谢组学，或DNA测序。期望的结果是提高预测能力，从而提高对代谢的理解。当只有基因（或蛋白质）强度可用时，通常采用的方法是创建组织特异性模型，这减少了生物体模型中的可用反应，并且不提供用于通量估计的目标函数，这是许多建模应用中的重要限制。我们开发了一种方法，流量分配与LAD（最小绝对偏差）凸目标和归一化（ESTCON），采用代谢网络重建以及表达数据来估计流量。为了使用这样的方法，需要精确的测量酶复合物的丰度，所以我们首先提出了一种新的算法，解决了复杂丰度的定量。我们对现有技术的扩展包括即使对于较小的模型也能够与大型模型一起工作并显著改善运行时性能，酶复合物形成逻辑的改进分析，处理可能包含多种异构体的非常大的酶复合物规则的能力，以及取决于模型约束，保持或显著改善与实验测量通量的相关性。EQUIPCON已经在MATLAB和ATS中实现，可以从https://github.com/bbarker/FALCON下载。ATS不需要编译软件，因为中间C源代码可用，并且为Linux x86-64系统提供了二进制文件。EQUIPCON需要使用COBRA EQUIPMENT，也在MATLAB中实现。
2015-09-09 q-bio.MN
A Topology-Based Machine Learning Model Decisively Outperforms Flux Balance Analysis in Predicting Metabolic Gene Essentiality
本文提出基于代谢网络拓扑特征的 RandomForestClassifier，用于预测大肠杆菌核心网络的基因必需性，并证明其显著优于传统 FBA。
2025-07-27 q-bio.MN
Genotype networks in metabolic reaction spaces
背景：代谢基因型包括生物体可以通过其基因组中编码的酶催化的所有化学反应。如果一个基因型能够产生生物体生存和繁殖所需的所有生物质成分，那么它在给定的环境中是可行的。以前的工作主要集中在单个基因型的属性，而很少有人知道如何基因组规模的代谢网络与一个给定的功能，可以改变他们的反应内容。结果：我们在这里的特征空间，这样的基因型。具体来说，我们研究代谢基因型，其表型是在最小的化学环境中的生存能力，不同的唯一碳源。我们发现，无论在代谢基因型的反应的数量，一个给定的表型的基因型通常形成巨大的，连接的，和非结构化的集-基因型网络-几乎跨越整个基因型空间。在这样的空间中，代谢表型对随机反应去除的鲁棒性具有高平均值的窄分布。不同的碳源在其基因型网络中的代谢基因型的数量上不同;随着基因型需要在增加数量的碳源上存活，该数量减少，但比在不同化学环境中独立使用代谢反应少得多。结论：我们的工作表明，表型保留基因型网络具有通用的组织属性，这些属性是不敏感的代谢基因型中的反应的数量。
2010-04-10 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph physics.comp-ph
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
A Novel Methodology to Estimate Metabolic Flux Distributions in Constraint-Based Models
通常，基于约束的代谢通量分析将代谢网络的可行通量配置的空间描述为由线性约束定义的高维多面体，所述线性约束强制系统中每个化学物质的生产和消耗通量的平衡。在某些情况下，可以通过执行额外的优化来降低解空间的复杂性，而在其他情况下，知道多面体上通量的变化范围提供了对所允许的配置的充分表征。然而，在某些情况下，需要在多面体上的可行通量的个体分布中编码的完整信息。当多面体的维数足够大时，获得这样的分布是一个非常具有挑战性的计算任务，并且开发具有成本效益的{ \it ad hoc}算法的问题最近引起了人们的极大兴趣。在这里，我们提出了一种方法，使我们能够在时间尺度{ \it线性}与网络中的反应的数量，克服了近年来采用的类似技术的一些限制，所需的计算。作为一个案例研究，我们将其应用到分析的人红细胞代谢网络，其解决方案空间可以通过不同的精确技术，如打了就跑蒙特卡罗（缩放大致像系统大小的三次方）采样。非常准确的估计可行的反应通量的真实分布，这表明，虽然进一步的改进是可取的，我们的方法提高了我们的能力，分析空间的允许配置大型生化反应网络。
2013-09-23 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.MN
Opportunities at the interface of network science and metabolic modelling
代谢在细胞生理学中起着核心作用，因为它为生长提供了分子机制。在基因组规模上，新陈代谢是由成千上万个相互作用的反应组成的。解开这种复杂性是理解细胞如何对遗传、环境或治疗扰动做出反应的关键。在这里，我们讨论了两个互补的战略分析基因组规模的代谢模型的作用：通量平衡分析（FBA）和网络科学。虽然FBA估计代谢通量的基础上的优化原则，网络方法揭示了全球代谢连接的新兴属性。我们强调了这两种方法的整合如何有望提供对代谢系统结构和功能的见解，并对发现科学、精准医学和工业生物技术产生广泛影响。
2020-12-17 q-bio.MN q-bio.QM
Phenotypic constraints promote latent versatility and carbon efficiency in metabolic networks
代谢网络的系统级特性可能是自然选择的直接产物，也可能是其他特性选择的副产品。在这里，我们研究了生长或生存能力在特定环境中的直接选择压力对代谢网络的两个性质的影响：在其他环境中发挥作用的潜在多功能性和碳的利用效率。使用马尔可夫链蒙特卡罗（MCMC）抽样的基础上通量平衡分析（FBA），我们从一个已知的生化宇宙随机可行的代谢网络，不同的直接约束环境的数量的样本。我们发现，潜在的多功能性采样代谢网络的直接约束环境的数量和网络的大小增加。然后，我们表明，平均碳浪费的采样代谢网络在整个约束环境的直接约束环境的数量和网络的大小减少。我们的工作扩展了越来越多的证据，关于生物网络关键功能特性的非适应性起源。
2015-07-31 physics.bio-ph q-bio.MN
Single-cell metabolic flux analysis reveals coexisting optimal sub-groups, cross-feeding, and mixotrophy in a cyanobacterial population
本研究通过整合SIMS多同位素测量与统计推断方法，在单细胞水平解析蓝藻种群代谢，发现种群分为碳优化与氮优化两个互补亚群，二者通过代谢交换实现部分异养并扩大代谢空间，其中混合营养细胞生长最快，为理解种群表型的个体贡献机制奠定基础。
2025-06-06 physics.bio-ph q-bio.MN q-bio.PE
Dynamic optimization of metabolic networks coupled with gene expression
通过调节酶表达水平来调节代谢活性对于在变化的环境中维持细胞生长至关重要。代谢网络通常在稳态下使用基于约束的模型和优化技术进行研究。然而，由基因表达的变化驱动的代谢适应不能通过稳态模型进行分析，因为这些不能解释生物质组成的时间变化。在这里，我们提出了一个动态优化框架，集成了代谢网络与生物质生产和组成的动态，明确考虑到酶的生产成本和酶的能力。与已建立的动态通量平衡分析相反，我们的方法允许预测代谢适应过程中代谢通量和生物量组成的动态变化。我们在两个案例研究中应用了我们的算法：一个最小的营养吸收网络，以及细菌核心代谢过程的抽象。在最小的模型中，我们表明，优化的摄取率再现经验Monod细菌培养物的增长。对于核心代谢过程的网络，动态优化算法预测通常观察到的代谢适应，例如具有对不同营养素的偏好排名的二次开关，在原始底物耗尽后废物的再利用，以及对即将发生的营养素耗尽的代谢适应。这些例子说明了如何动态适应酶的表达可以预测单独从优化原则。
2014-10-23 math.OC q-bio.MN
Geometric algorithms for sampling the flux space of metabolic networks
系统生物学是一个基本领域和范式，介绍了一个新时代的生物学。其功能和实用性的关键依赖于代谢网络，该网络模拟生物体内部发生的反应，并提供了解控制生物系统的潜在机制的方法。此外，代谢网络具有更广泛的影响，从生态系统的解析到个性化医疗。代谢网络的分析是一个面向计算几何的领域，因为它们依赖的主要操作之一是从多面体中均匀采样点;后者提供了代谢网络稳态的表示。然而，从生物学数据产生的多面体具有非常高的维度（数千的数量级），并且在大多数情况下（如果不是全部的话），这些情况是相当瘦的。因此，为了在这种情况下有效地执行均匀随机采样，我们需要一个新的算法和计算框架，专门为代谢网络的属性定制。我们提出了一个完整的软件框架来处理代谢网络中的采样。它的主干是一个多相蒙特卡罗采样（MMCS）算法，该算法将舍入和采样统一在一次通过中，并在终止时获得两者。它利用了台球漫步的改进变体，每步的算法复杂度更快。我们通过对各种代谢网络进行广泛的实验来证明我们的方法的效率。值得注意的是，在当今可访问的最复杂的人类代谢网络Recon 3D上进行采样，对应于维度为5335的多面体，耗时不到30小时。据我们所知，这是现有软件无法实现的。
2021-03-22 cs.CG q-bio.MN q-bio.QM
Removing both Internal and Unrealistic Energy-Generating Cycles in Flux Balance Analysis
基于约束的化学计量模型在代谢研究中是普遍存在的，其中通量平衡分析（FBA）是描述稳态生长的细胞的代谢表型的最广泛使用的方法。在多年来发表的基于约束的建模方法的许多变体中，只有少数集中在热力学问题上，特别是消除非物理和非生理循环通量。在这项工作中，我们重新审视其中两种方法，即热力学FBA和无环FBA，并分析每一种方法的优点和缺点。最后，我们提出了一个妥协表示半热力学FBA（ST-FBA）的流量多面体施加更强的热力学约束相比，无环FBA，而不需要一个大的热力学参数的情况下，热力学FBA。我们表明，圣FBA是一个有用的和简单的方法来消除不可行的周期，产生ATP。
2018-03-13 q-bio.MN
Estimating the size of the solution space of metabolic networks
在这项工作中，我们提出了一种新的算法策略，允许一个有效的表征与代谢约束兼容的整套稳定通量。该算法基于著名的Bethe近似，允许在多项式时间内计算高维非全维凸多面体的体积。我们的算法的结果匹配密切的预测基于蒙特卡罗的估计的流量分布的红细胞代谢网络，但在无比短的时间。我们还分析了大肠杆菌代谢网络中反应的平均通量的统计特性，并最终测试基因敲除对大肠杆菌中心代谢的解空间大小的影响。
2007-09-06 cond-mat.dis-nn cond-mat.stat-mech q-bio.MN
An analytic approximation of the feasible space of metabolic networks
假设一个细胞内的稳态条件下，代谢通量满足一个欠定的线性系统的化学计量方程。表征满足这些方程的通量空间以及给定的边界（可能还有其他相关的约束）被认为是理解细胞代谢的最重要的。每个单独通量的极值可以用线性规划计算（如通量平衡分析），其边际分布可以用蒙特卡罗抽样近似计算。在这里，我们提出了一个近似的分析方法，后者的任务的基础上期望传播方程，不涉及采样，可以实现更好的预测比其他现有的分析方法。该方法是迭代的，并且其计算时间由每次迭代的一个矩阵求逆决定。关于采样，我们通过大量的模拟表明，它具有一些优势，包括计算时间，并能够有效地固定经验估计的通量分布。
2017-04-06 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.MN
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
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
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
Counting and correcting thermodynamically infeasible flux cycles in genome-scale metabolic networks
热力学限制了反应网络中物质的流动，使其通过吉布斯能降低的路线发生，这意味着可行的稳态通量模式应该没有封闭的反应循环。不幸的是，从计算的角度来看，识别和删除大型反应网络中的循环可能是一项极具挑战性的任务。在这里，我们提出了一种方法，通过结合松弛算法和蒙特卡洛过程来检测循环，与特设规则（详细讨论），以消除它们。作为测试用例，我们解决了（a）在E中识别不可行循环的问题。大肠杆菌代谢网络和（b）校正15个人类细胞类型特异性代谢网络的通量平衡分析解决方案中的热力学不可行性的问题。将（a）的结果与以前对同一问题的分析进行比较，同时将（b）的结果与替代方法进行权衡，以根据最小化特定的全球量来检索可行的通量模式。我们的方法一方面优于以前的技术，另一方面，纠正了通量平衡分析的循环解决方案。作为一个副产品，它还能够揭示模型重建中可能存在的不一致性。
2013-10-14 cond-mat.dis-nn cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
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
Predicting synthetic rescues in metabolic networks
医学研究的一个重要目标是开发恢复由于突变和其他缺陷而丧失的细胞功能的方法。许多基于基因治疗的方法旨在修复缺陷基因或插入具有补偿功能的基因。在这里，我们提出了一种替代的，基于网络的策略，旨在通过迫使细胞绕过受缺陷基因影响的功能，或补偿失去的功能来恢复生物功能。专注于单细胞生物体的代谢，我们计算研究缺乏必需酶的突变体，因此无法生长或生长速度显着降低。我们表明，这些突变体中的几个可以变成可行的生物体通过额外的基因缺失，恢复其生长速度。以一种相当违反直觉的方式，这是通过对代谢网络的额外损害来实现的。使用通量平衡为基础的方法，我们确定了一些合成可行的基因对，其中一个酶编码基因的去除导致一个不可行的表型，而第二个酶编码基因的删除拯救生物体。系统的基于网络的补偿性拯救效应的识别可能为遗传干预开辟新的途径。
2008-03-06 cond-mat.dis-nn q-bio.CB 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 Activity Reaction Core and Plasticity of Metabolic Networks
了解系统水平的适应性变化发生在一个有机体在响应环境的变化是当代生物学的一个关键问题。目前的建模方法，如基于约束的通量平衡分析（FBA）已被证明是非常成功的分析细胞代谢的能力，包括其能力，预测删除表型，代谢反应的相对通量值的计算能力和交替的最佳生长状态的属性。在这里，我们使用FBA来彻底评估大肠杆菌，幽门螺杆菌和酿酒酵母在30，000个不同的模拟环境中的代谢活性。我们确定了一组代谢反应，形成一个连接的代谢核心，在所有的生长条件下进行非零通量，其通量变化是高度相关的。此外，我们发现，催化核心反应的酶比催化非核心反应的酶表现出相当高的表型必要性和进化保守性。细胞代谢的特点是围绕一个进化保守的始终活跃的代谢核心组织了大量的物种特异性条件活性反应。最后，我们发现目前大多数干扰细菌代谢的抗生素都靶向核心酶，这表明我们的研究结果可能对抗菌药物靶点发现具有重要意义。
2006-01-24 cond-mat.dis-nn q-bio.CB q-bio.MN
Genotype networks, innovation, and robustness in sulfur metabolism
代谢网络是一个复杂的系统，它包括数百个化学反应，这些反应从生物体环境中的化学物质合成生物质分子。任何一个生物体的代谢网络都是由代谢基因型编码的，代谢基因型由一组酶编码基因定义，这些基因的产物催化网络的反应。每个代谢基因型具有代谢表型，例如在化学元素和能量的不同来源的光谱上合成生物质的能力。硫代谢是研究代谢网络演化的一个很有吸引力的方面，因为它涉及的反应比碳代谢少得多。具体来说，我们研究所有可能的代谢基因型的空间的属性，并分析不同数量的硫源上可行的随机代谢基因型的属性。我们发现，具有相同表型的代谢基因型形成大的连接基因型网络，通过代谢基因型空间延伸很远。它们通过这个空间到达的距离是这种网络中超必要反应数量的线性函数，即在具有相同表型的所有网络中发生的反应数量。我们发现，任何基因型网络的不同社区都有非常不同的新表型，代谢创新可以在新的硫源上维持生命。我们还分析了进化群体的代谢网络，以探索新的代谢表型的能力。基因型网络的存在促进了这种能力，因为这些网络的不同邻域包含非常不同的新表型。与大分子相比，表型稳健性可能有助于表型创新，我们表明，在这里获得新表型的能力并不单调增加稳健性。
2010-10-05 q-bio.MN q-bio.PE
Inferring metabolic phenotypes from the exometabolome through a thermodynamic variational principle
生化反应网络，如细胞代谢网络，通过将它们与环境连接的交换通量而保持在非平衡稳态。在大多数情况下，可行的通量配置可以在规定输入和输出通量时从最小质量平衡假设推导出。在这里，我们考虑的问题，推断细胞内的流量模式从细胞外代谢物水平。借助于热力学平衡变分原理来描述网络在稳态下，我们表明，从发酵氧化表型在细胞中的开关，其特征在于在葡萄糖，乳酸，氧气和二氧化碳的浓度。一个完全可解的玩具模型得到的结果完全恢复大规模重建人体categories。最后，我们认为，尽管在理论中涉及的许多近似，几种人类细胞类型的可用数据很好地描述了预测的表型图的问题。
2014-10-23 cond-mat.dis-nn physics.bio-ph q-bio.MN
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
Slave nodes and the controllability of metabolic networks
最近关于合成拯救的工作表明，特定代谢基因的靶向缺失通常可用于拯救否则不能存活的突变体。这就提出了一个基本的生物物理学问题：通过限制网络中一个或多个反应的通量，可以在多大程度上控制一个大型代谢网络的全细胞行为？这涉及到这样一个网络所包含的自由度的数量的问题。使用大肠杆菌的代谢网络作为模型系统，在这里，我们从理论上解决这个问题，探索不仅反应缺失，但也是一个连续的所有可能的反应表达水平。我们表明，代谢网络的行为可以在很大程度上操纵的钉扎表达的一个单一的反应。特别是，代谢反应的相关部分表现出渠道化的相互作用，因为一个反应通量的规格确定细胞生长以及最佳稳态下的大多数其他反应的通量。因此，单个反应的活性可用作监测和可能控制细胞生长和其他全细胞行为的替代物。除了它的影响，控制过程的研究，我们的方法提供了一种新的方法来研究如何集成动态的整个代谢网络出现从其组成部分的协调行为。
2009-11-29 cond-mat.dis-nn physics.bio-ph q-bio.MN
Dynamic metabolic resource allocation based on the maximum entropy principle
生物体已经进化出各种机制来应对环境条件的不可预测性，但代谢调节的主流模型通常基于严格的最优性原则，不考虑不确定性。本文介绍了一个动态代谢建模框架，这是一个合成的资源分配和强大的最优控制制定Ramkrishna和同事最近的想法。特别是，他们的工作扩展的基础上的假设，即细胞资源之间的基本流量模式分配根据最大熵的原则。这些概念通过在动态通量平衡分析和没有调节的动态代谢模型之间建立平滑插值，来概括和统一动态代谢建模的先前方法。由此产生的理论是成功的描述“赌注对冲”的策略，采用细胞群体处理不确定性在波动的环境中，包括异质资源投资，积累储备在生长限制条件下，和观察到的行为酵母生长在批量和连续培养。最大熵原理也示出产生一个最优的控制律与基本通量模式家庭之间的划分资源，这对模型简化，选择和模拟具有重要的实际意义。
2020-07-07 math.DS physics.bio-ph q-bio.MN
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
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
Sensitivity of metabolic networks: perturbing metabolite concentrations
灵敏度研究网络对扰动的响应。我们考虑局部扰动的浓度的代谢物在平衡。我们调查的网络中的反应，代谢物的浓度和反应通量。我们的方法纯粹是定性的，而不是定量的。事实上，我们的分析仅仅基于反应网络的化学计量，我们不需要任何关于反应速率的定量信息。相反，这种描述仅用代数术语进行，所需的唯一数据是网络结构。生物学应用包括代谢控制和网络重建。
2020-12-19 math.DS q-bio.MN
