Currency and commodity metabolites: Their identification and relation to the modularity of metabolic networks
代谢网络的大尺度形态和功能是系统生物学的重要研究课题。这种网络一方面通常被认为是模块化的（即由许多相对独立的子系统构建），但另一方面，它们在某种程度上是鲁棒的，而不是纯粹的模块化系统。为了解决这个问题，我们仔细讨论的分区代谢网络成子网络。通过去除最丰富的底物（“货币代谢物”）来预处理这种网络的做法被形式化为基于网络的算法。我们研究了许多生物体的代谢网络的分区，发现了货币代谢物的核心和我们称之为“商品代谢物”的模块化外围。“这些网络被发现比随机网络更模块化，但远非完全可分为模块。我们认为，跨模块的边缘是新陈代谢的鲁棒性的关键。
2006-03-31 cond-mat.dis-nn q-bio.MN
Modules in the metabolic network of E.coli with regulatory interactions
我们研究的代谢网络的模块化结构时，结合大肠杆菌中的小代谢产物的酶的直接调节的调控网络。为了识别模块结构，我们引入了基于一种新的顶点相似性度量的二分图聚类算法。我们还采用了一个标准的模块识别方法的基础上模拟退火。这两种方法识别相同的模块化核心，每种方法具有不同的分辨率。我们观察到轻微的，但仍然有统计学意义的增加后，调节相互作用的模块化。用调节信息富集代谢网络导致新功能模块的鉴定，其不能仅在代谢网络中检测到。模块中的调节环是其自我控制（即自主性）的来源，并允许对模块功能进行假设。这项研究表明，纳入监管信息是重要的组成部分，在定义功能单位的代谢网络。
2014-01-13 physics.bio-ph q-bio.MN
Modularity Emerges from Action-Functional Constraints in Marine Metabolic Networks: A Biology-Scale Validation of the Network-Weighted Action Principle
University of Washington（华盛顿大学）
研究通过两种方法验证了网络加权动作原理，发现模块性过剩而非绝对模块性是生物组织的合适特征，且与自然代谢网络的成本最小化原则一致。
2026-05-05 q-bio.MN q-bio.QM
Scale-rich metabolic networks: background and introduction
最近的进展已经澄清了许多功能的全球架构的生物代谢网络，具有高度组织和优化的公差和权衡（HOT）的功能要求的灵活性，效率，鲁棒性和可进化性，与约束的能量守恒，氧化还原，和许多小的部分。这种架构的一个后果是高度结构化的模块化，是自相异和规模丰富，具有极端的低和高的变异性，包括幂律，在代谢物和反应程度分布。本文阐述了这些功能，使用化学计量学的代谢网络在细菌中，和一个简单的模型的抽象代谢。
2004-10-07 q-bio.MN
Flows in complex biochemical networks: Role of low degree nodes
代谢网络有两个通常被认为是不相关的特性：一，它们具有代谢反应，其单一敲除对生物体是致命的;二，它们具有形成功能模块的相关反应集。在这篇评论中，我们认为，必要性和模块性似乎出现作为一个结果相同的结构属性：低度代谢物的存在。这一观察允许从关于代谢网络的纯结构信息预测（a）作为病原微生物中潜在药物靶标的基本代谢反应和（b）生物网络内的调节模块。
2010-12-04 q-bio.MN
Low Degree Metabolites Explain Essential Reactions and Enhance Modularity in Biological Networks
最近，人们对在生物体的遗传和代谢网络水平上识别模块以及识别生物体所必需的单个基因和反应产生了很大的兴趣。计算和系统生物学的一个目标是超越识别，以特定的结构或进化约束来解释特定的模块和必需基因和反应。在E. coli、S. cerevisiae和S.在金黄色葡萄球菌中，我们鉴定了具有低连接度的代谢物，特别是那些仅在单个反应中产生和/或消耗的代谢物。使用FBA，我们还确定了这些代谢网络中生长所必需的反应。我们发现，在这些网络中确定为必不可少的大多数反应原来是那些涉及生产或消费的低度代谢产物。将图论方法应用于这些代谢网络，我们确定了这些低级代谢物的连接簇。在E.大肠杆菌中的酶被正确地预测为催化这些簇的反应的酶。我们独立地确定了通量完全相关的反应簇。我们发现，后者的“功能集群”的组成也在很大程度上解释了在这些生物体中的每一个低程度的代谢物的集群。我们的发现意味着大多数重要的代谢反应可以被一种或多种低级代谢物标记。这些反应是必不可少的，因为它们是产生或消耗各自标记代谢物的唯一途径。此外，通量强相关的反应可以被认为是由这些低级代谢物“粘在一起”。
2005-10-21 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
Modular control of Boolean network models
本研究针对中等规模生物布尔网络全局控制输入计算难度大的问题，利用布尔网络的模块化结构与调控机制的渠化特征，提出高效的模块化控制方法，并在T-LGL白血病网络模型中验证了其识别最小控制集的有效性。
2024-11-04 q-bio.MN
Principles in the Evolution of Metabolic Networks
理解复杂细胞组织的设计原理是生物学的主要挑战之一。最近对大规模细胞组织的分析揭示了代谢和蛋白质网络的无标度性质和鲁棒性。然而，创造这种细胞组织的基本进化过程并没有完全阐明。为了解决这个问题，我们分析了126种生物体的代谢网络，这些生物体的基因组草图或完整的基因组序列已经发表。该分析揭示了代谢网络的进化过程遵循与细菌、细菌和真核生物中相同且令人惊讶的简单原则;其中高度连接的代谢物比较少连接的代谢物更动态地改变其化学连接。在这里，我们证明了这种丰富的旅行更多的机制，而不是以前提出的丰富的越来越丰富的机制可以产生观察到的无标度组织的代谢网络。这些发现说明了代谢网络进化的普遍规律，并表明代谢网络在整个进化过程中具有显著的灵活性。
2005-03-28 q-bio.GN q-bio.MN
Comment on "Regularizing capacity of metabolic networks"
在最近的一篇论文中，Marr、Muller-Linow和Hutt [Phys.Rev.E75，041917（2007）]研究了代谢网络上的人工动态系统。他们发现，与参考模型的网络相比，这个动态系统在真实网络中的时间演化不那么复杂。作者认为，这表明代谢网络结构是生化稳态稳定性背后的主要因素。我们使用一个动态系统模拟实际反应动力学来重新分析同类数据。从我们的分析中得出的关于稳定性的结论与Marr等人的结论不一致。我们认为，这个问题需要更详细的建模。
2008-02-06 q-bio.MN
Metabolic evolution of a deep-branching hyperthermophilic chemoautotrophic bacterium
风产液菌是一种深分支的超嗜热化能自养细菌，仅限于热液喷口和温泉。这些特点使其成为研究代谢早期进化的一个很好的模型系统。在这里，我们提出了这种生物体的全基因组代谢网络，并详细研究了形成它的驱动力。我们广泛使用的phylometabolic分析，我们最近推出的一种方法，通过整合系统发育和代谢的限制，生成代谢表型树。我们重建了一系列代谢子系统的进化，包括还原性柠檬酸（rTCA）循环，以及几个氨基酸和辅因子的生物合成和功能作用。我们证明了A. aeolicus在许多这些子系统中使用了重建的祖先路径，并强调了子系统之间的进化相互联系如何促进了几项关键创新。我们的分析进一步强调了代谢进化中的三大类驱动力。一个是酶基因的复制和分化，因为这些酶从较低的底物特异性发展到较高的底物特异性，改善了某些子系统的动力学。第二种是通过酶的融合或将其组织成更大的复合物来对已建立的途径进行动力学优化。第三是ATP合成生物质的单位成本最小化，提高热力学效率。量化这些类别的创新在代谢子系统和生命树中的分布，将使我们能够评估最大化增长率和增长效率之间的权衡如何塑造生物圈的长期代谢进化。
2013-09-17 q-bio.GN q-bio.MN q-bio.PE
Complex networks theory for analyzing metabolic networks
后基因组信息学的主要任务之一是系统地研究活细胞内的所有分子及其相互作用，以了解这些分子及其相互作用与生物体功能的关系，而网络是对各种相互作用的适当抽象描述。近年来，复杂网络理论的发展取得了巨大的成就，揭示了各种复杂的生物、技术和社交网络的形成和演化的组织原理。本文综述了基于基因组的代谢网络的研究进展，并介绍了如何应用复杂网络理论分析代谢网络。
2006-08-13 q-bio.MN
Atmospheric reaction systems as null-models to identify structural traces of evolution in metabolism
新陈代谢是生物体生物复杂性背后的发动机。描述其大规模结构的一个问题是，很难知道将其与什么进行比较。所有的化学反应系统都是由相同的物理学塑造的，这些物理学赋予了分子稳定性和反应亲和力。这些基本因素不能被基于随机化的标准零模型捕获。生物体代谢的独特性质是，它在某种程度上是由一种受进化影响的酶机制控制的。在本文中，我们探讨了行星大气的反应系统可以作为一个零模型，我们可以定义代谢结构和跟踪进化的影响的可能性。我们发现，这两种类型的数据可以区分其各自的度分布。当观察反应网络的度分布（如果它们涉及相同的分子物种，则相互连接的反应）时，这一点尤其明显。对于地球的大气网络和人类的代谢网络，我们将更详细地研究这种偏离的潜在解释。然而，我们无法确定造成差异的单一原因，而是有几个并发因素。通过研究与代谢的模块功能组织相关的量，我们证实代谢网络具有比大气网络更复杂的模块组织，但并不比大气网络复杂得多。我们将代谢的更多样化的模块化排列解释为进化功能的痕迹。另一方面，这两种网络的结构非常相似，这强调了分子化学性质的约束对形成反应系统的影响比自然选择更大。
2011-05-07 q-bio.MN
Evolution and development of complex computational systems using the paradigm of metabolic computing in Epigenetic Tracking
表观遗传跟踪（ET）是一种人工胚胎学系统，它允许由人工细胞构建的大型复杂结构的进化和发育。就细胞数量而言，用ET生成的身体的复杂性与生物有机体的复杂性相当。我们以前使用ET来模拟具有任意三维形状的多细胞体的生长，其使用“代谢计算”的范例执行计算。在本文中，我们调查的内存容量的计算结构，并分析形状和计算之间的权衡。我们现在计划在这些基础上创建一个生物启发的模型，其中表型的编码是有效的（就基因组的紧凑性而言），并且在涉及非平凡计算的任务中是可进化的，对损坏具有鲁棒性，并且能够自我维护和自我修复。
2013-09-30 cs.CE q-bio.MN
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
Experimental evolution of diverse Escherichia coli metabolic mutants identifies genetic loci for convergent adaptation of growth rate
细胞生长取决于底物的可用性和细胞将底物同化成结构单元的代谢能力。决定生长速率的代谢基因可能协同或拮抗地相互作用，并且可以加速或减缓生长，这取决于遗传背景和环境条件。我们进化了一组不同的大肠杆菌单基因缺失突变体，具有一系列的生长速率，并确定了通常增加生长速率的突变。尽管亲本菌株之间存在代谢差异，但增强生长的突变主要定位于核心转录机制，包括RNA聚合酶（RNAP）的$β$和$β'$亚基以及转录延伸因子NusA。RNAP的决定增强生长的结构片段先前已经涉及抗生素抗性和转录延长和暂停的控制。我们进一步开发了一个计算框架来表征在获得这些突变后发生的转录变化如何影响菌株的生长速率。我们的实验和计算结果为RNAP突变改变活性转录和基因沉默之间的竞争平衡提供了证据。这项研究表明，RNAP特定区域的突变是一种收敛的自适应解决方案，可以提高不同代谢状态细胞的生长速度。
2018-12-13 physics.bio-ph q-bio.MN
Evidence of a universal power law characterizing the evolution of metabolic networks
已知代谢网络是无标度的，但这种结构性质的进化起源还不清楚。研究动力学过程的一种方法是比较物种的代谢网络，这些网络出现在进化的不同阶段，因此在不同程度上相互关联。我们比较了15组物种之间和15组物种内每种代谢物的反应集。对于给定的一对物质和给定的代谢物，仅出现在一个物质而不是另一个物质的代谢网络中的代谢物反应的数量$Δk$是两个网络之间距离的度量。虽然$Δk$在相关物种的组内较小，而在组间较大，但我们发现其概率分布为$\sim (Δk)^{-γ'}$，其中$γ'$是组内和组间相同的普适指数。该指数等于无标度度分布$\sim k^{-γ}$中的指数$γ$，直到统计不确定性。我们认为，这一点，以及我们的发现，$Δk$是近似线性相关的程度$k$的代谢产物，是一个“成比例的变化”的进化过程中的证据。我们还讨论了一些分子机制，可能是负责这样的进化过程。
2005-04-11 cond-mat.dis-nn q-bio.MN q-bio.PE
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
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
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
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
Modeling for evolving biological networks with scale-free connectivity, hierarchical modularity, and disassortativity
我们提出了一个不断增长的网络模型，由两个可调机制：增长合并模块表示为完整的图形和健身驱动的优先附件。我们的模型表现出三个突出的统计特性，在现实的生物网络，如基因调控，蛋白质相互作用，和代谢网络中广泛共享。它们保持了三种幂律关系，如度分布的幂律、聚类谱和度-度相关性分别对应于无标度连通性、层次模块性和离散性。通过比较模型网络和生物网络的这些性质，我们证实了我们的模型对生物网络的进化过程具有推理潜力。
2006-11-04 cond-mat.dis-nn 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
Study of the structure and dynamics of complex biological networks
在这篇论文中，我们利用图论、计算生物学和动力系统的工具研究了某些生物网络的大尺度结构和系统级动力学。我们研究了大肠杆菌、酿酒酵母和金黄色葡萄球菌这三种生物体内大规模代谢网络的结构和动力学。我们还研究了控制E.大肠杆菌代谢我们试图解释观察到的系统级动力学性质，这些网络的基础结构。我们对这些大规模生物网络的系统级动力学的研究提供了一个不同的视角，与纯粹的结构研究相比，它们的功能。我们的研究也导致了一些新的见解的功能，如鲁棒性，脆弱性和模块化的这些大规模的生物网络。我们还阐明了细胞内的不同网络，如代谢网络和遗传网络是如何相互关联的。
2008-12-30 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
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
Functional classification of metabolic networks
Massachusetts Institute of Technology（麻省理工学院）
本文提出了一种基于Grassmann距离的代谢网络分类方法，用于比较生物体的代谢特征，揭示代谢距离与系统发育距离的差异，展示了其在多种化学反应系统中的应用潜力。
2026-01-07 physics.bio-ph q-bio.MN
Phylogeny of Metabolic Networks: A Spectral Graph Theoretical Approach
人们已经开发了许多方法来寻找不同生物之间的共性，以研究它们的同源性。代谢网络的结构也揭示了有价值的见解代谢能力的物种，以及他们已经进化的栖息地。我们构建了79个完全测序的生物体的代谢网络，并比较了它们的结构。我们使用归一化拉普拉斯矩阵的谱密度来比较网络的结构。该矩阵的特征值不仅反映了网络的全局结构，而且反映了由不同的图进化过程（如模体复制或连接）产生的局部拓扑结构。利用谱密度的离散度来量化不同代谢网络之间的距离，并构造一个分裂网络来分析这些距离的遗传关系。在我们的分析中，我们关注的是属于不同纲的物种，但在亲缘关系上似乎更接近。我们试图探索它们是否在相似的环境条件下进化，或者有相似的生活史。有了这个重点，我们已经获得了有趣的见解不同生物之间的系统发育共性。
2015-06-18 q-bio.MN q-bio.PE
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
A comprehensive statistical study of metabolic and protein-protein interaction network properties
理解生物系统中图形的数学性质可以为这些结构背后的进化机制提供线索。在这篇文章中，我们进行了一个完整的统计分析，在数以千计的图表代表代谢和蛋白质相互作用（PPI）网络。首先，我们研究了节点度分布与幂律函数的拟合质量。该分析表明，幂律分布对数据的描述很差，除了PPI网络的最右尾部。接下来，我们获得主图参数的描述性统计，并尝试识别偏离预期值的属性，如果网络是通过随机连接具有相同度分布的节点构建的。这项调查确定了生物网络的性质，这些性质不仅是其度分布的结果，而且是从驱动这些分布的机制之外尚未确定的机制中产生的。研究结果表明，虽然PPI网络的特性与随机版本中的预期值不同，具有很大的统计学意义，但代谢网络的差异具有较小的统计学意义，尽管可以识别一些漂移。
2018-12-13 q-bio.MN stat.AP
Functional cartography of complex metabolic networks
高通量技术正在导致生物数据库规模的爆炸性增长，并为我们对生命和疾病的理解带来革命性的机会。然而，对这些数据的解释仍然是一个重大的科学挑战。在这里，我们提出了一种方法，使我们能够提取和显示复杂网络中包含的信息。具体来说，我们证明了一个可以（i）在复杂网络中找到功能模块，（ii）根据其内部和模块间连接的模式将节点分类为通用角色。因此，该方法产生了复杂网络的“制图表示”。代谢网络是最具挑战性的生物网络之一，也是最有可能立即应用的网络。我们使用我们的方法来分析的代谢网络的十二个生物体从三个不同的超级王国。我们发现，通常情况下，80%的节点只连接到各自模块内的其他节点，并且具有不同角色的节点受到不同进化约束和压力的影响。值得注意的是，我们发现连接不同模块的低度代谢物比连接主要在单个模块内的枢纽更保守。
2005-02-23 cond-mat.dis-nn q-bio.MN
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
Selective pressure on metabolic network structures as measured from the random blind-watchmaker network
被称为盲钟表匠网络（BW）的随机零模型已被证明可以重现代谢网络中的度分布。这可能表明，自然选择对这种特殊的网络特性几乎没有影响。在这里，我们研究在选择压力下，其他结构网络属性在多大程度上从随机零模型的相应属性演变而来：选择聚类系数和非线性测度，发现代谢网络结构的这些测度与BW网络足够接近，以便适合其可达随机相空间。它还表明，使用这种零模型表明，对低反渗透性的进化压力，这种压力是更强的较大的网络。它还表明，选择BW网络具有低的重复性导致BW度分布稍微偏离其幂律形状以同样的方式作为代谢网络。这意味着，当识别选择性压力时，具有波动度分布的平衡模型比具有固定度序列的随机对应模型更适合作为零模型，因为整体度序列本身可以在其他全局网络属性的选择性压力下发生变化。
2010-10-29 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.MN
Network-based confidence scoring system for genome-scale metabolic reconstructions
复杂生物网络重建的可靠性仍然是一个问题。虽然观测结果越来越精确，但数据收集过程仍容易出错，证据显示出不一致的确定性。在代谢网络的情况下，目前采用的置信度评分系统根据表示不同水平的实验证据或基于模型的可能性的离散化的小标签集对反应进行评级。在这里，我们提出了一个基于计算网络的反应评分系统，利用复杂的层次结构和统计的代谢网络作为一个二分图。我们用大肠杆菌代谢的例子来说明我们的方法。我们的模型根据观察结果进行调整，以获得单个代谢产物-反应对之间的连接概率，并且在验证后，我们整合单个链接信息以评估每个反应在概率方面的可靠性。这种基于网络的评分系统打破了目前采用的分数的简并性，能够进一步确认建模结果，揭示可能在功能上或进化上重要的非常具体的反应，并确定突出的实验目标以供进一步验证。鉴于许多生物相互作用的自然网络双偶性，我们预见了我们的方法的广泛潜在应用。
2010-08-18 cond-mat.dis-nn physics.soc-ph q-bio.MN
Molecular chaperones: The modular evolution of cellular networks
分子伴侣在细胞的信号传导和转录调控网络中发挥着重要作用。最近的研究发现，分子伴侣作为遗传缓冲器，稳定各种细胞和生物体的表型，并可能作为潜在的调节器的进化。伴侣有薄弱环节，连接枢纽，是在网络模块的重叠，并可能在压力期间解除这些模块，这给了一个额外的保护细胞在网络层面。此外，应激后，分子伴侣通过其对不同模块中潜在相互作用伴侣的低亲和力采样来重建模块间接触是必不可少的。这为分子伴侣调控的细胞网络模块化进化开辟了道路，并帮助我们设计新的治疗和抗衰老策略。
2007-04-30 q-bio.MN
Evolution of complex modular biological networks
生物网络已经进化到在不确定的环境中具有高度功能，同时保持极强的适应性。生物网络的鲁棒性和可进化性的主要贡献者之一被认为是其功能的模块性，模块被定义为强烈相互连接但其功能可与其他模块分离的基因集。在这里，我们研究了复杂人工代谢网络中模块化和鲁棒性的计算机进化，这些网络编码越来越多的环境信息，同时获得生物，社会和工程网络的普遍特征，如无标度边缘分布，小世界属性和容错性。这些网络在可预测性不同的环境中进化，并允许我们使用不依赖于任何先入为主的模块化概念的新工具，从拓扑学、信息论和基因上位性的角度研究模块化。我们发现，对于我们进化的复杂网络以及酵母蛋白质相互作用网络，合成的致死对主要由冗余基因组成，这些基因彼此靠近，因此在模块内，而敲除抑制对相距较远，往往跨越模块，这表明敲除救援是由替代途径或模块介导的。将网络模块化工具与遗传相互作用数据相结合，构成了研究和剖析模块化在生物网络进化和功能中的作用的有力方法。
2007-12-18 q-bio.MN q-bio.PE
On the accessibility of adaptive phenotypes of a bacterial metabolic network
适应性表型出现后在进化种群中传播的机制已经相当清楚。人们对影响这些表型的进化可及性的因素知之甚少，这是它们在种群中出现的先决条件。在这里，我们调查环境质量的影响，大肠杆菌的中央代谢网络的适应表型的可及性。我们使用一个已建立的代谢通量平衡模型作为基因型-表型图（GPM）的基础。我们量化了七种不同性质的环境（对应于碳水化合物和代谢底物）对GPM结构的影响。我们发现，GPM在质量较差的环境中具有更坚固的结构，这表明适应性表型在这种环境中本质上不太容易获得。然而，在GPM最崎岖的环境中，平均约74%的基因型可以通过中性漂变改变;这可能允许进化中的种群规避这种崎岖性。此外，我们发现，归一化互信息（NMI）的基因型差异相对于表型差异，这措施的GPM的能力，以传输有关表型差异的信息，是正相关的（基于模拟）估计的可访问性的适应表型在不同的环境。这些结果与一个简单的分析理论的预测是一致的，他们提出了一个直观的进化适应的信息理论原则，适应可能会更快的环境中，GPM有更大的能力来传递有关表型差异的信息。
2009-08-14 cs.IT math.IT q-bio.MN
The Blind Watchmaker Network: Scale-freeness and Evolution
这表明简单生物细胞代谢网络的度分布反映了普遍存在的随机性。这意味着在进化过程中，自然选择对网络度分布没有或只有很小的压力。相应的随机网络，这里称为盲钟表匠网络，具有指数γ>= 2的幂律度分布。它是随机的，相对于一组完整的网络状态，其特征在于描述了哪些链路连接到节点以及这些链路的时间顺序。没有对任何生长机制或进化过程做出先验假设。研究发现，盲钟表匠网络的度分布与代谢网络的度分布非常吻合。这意味着细胞代谢的进化途径，当投影到代谢网络表示时，相对于一组完整的网络状态，仍然是统计随机的。这表明，即使是一个生物系统，由于自然选择已经发展了一个巨大的特异性，如细胞代谢，然而，在同一时间，可以显示出明确的特征，源于达尔文进化的普遍存在的固有随机因素。完全随机网络也可能具有无标度节点分布，这一事实为无标度网络的起源提供了一个新的视角。
2008-03-04 physics.bio-ph q-bio.MN
The performance of modularity maximization in practical contexts
虽然在实践中被广泛使用，但被称为模块化最大化的流行模块识别技术的行为和准确性在实际环境中并没有得到很好的理解。在这里，我们提出了一个广泛的特点，其性能在这种情况下。首先，我们重新审视并澄清模块化最大化的分辨率极限现象。其次，我们表明，模块度函数Q表现出极端退化：它通常承认指数数量的不同的高分解决方案，通常缺乏一个明确的全球最大值。第三，我们导出了一个无限模块化网络模型的最大模块度Q_max的极限行为，表明它强烈地依赖于网络的大小和它所包含的模块数。最后，使用三个真实世界的代谢网络作为例子，我们表明，退化的解决方案可以从根本上不同意许多，但不是所有的分区属性，如组成的最大模块和模块大小的分布。这些结果意味着，任何模块化最大化程序的输出应谨慎地解释在科学背景下。他们还解释了为什么许多进化论在实践中经常成功地找到高分分区，以及为什么不同的进化论在同一网络的模块化结构上可能存在分歧。最后，我们讨论了减轻这些行为的途径，例如结合来自许多退化解决方案的信息或使用生成模型。
2010-04-01 cond-mat.dis-nn physics.data-an physics.soc-ph
Multistep greedy algorithm identifies community structure in real-world and computer-generated networks
我们最近介绍了一个多步扩展的贪心算法的模块化优化。扩展是基于这样的想法，即在每次迭代时合并l对社区（l>1），防止过早地凝聚成几个大社区。在这里，提出了一个经验公式的步长l的选择，产生分区（接近）最佳模块化的17个现实世界和1100计算机生成的网络。此外，深入分析了两个真实世界网络的社区（细菌E。coli和MartinKarplus合著的论文标题中的共现词图）提供了证据，证明由多步贪心算法获得的划分不仅在模块性方面而且根据客观标准优于由原始贪心算法生成的划分。换句话说，贪心算法的多步扩展减少了陷入模块性局部最优的危险，并生成更合理的划分。
2008-09-25 cond-mat.dis-nn cs.DS physics.soc-ph
Mutation Rules and the Evolution of Sparseness and Modularity in Biological Systems
生物系统在组织的许多层次上表现出两个结构特征：稀疏性，其中组件之间只有一小部分可能的相互作用实际发生;模块性-系统几乎可分解为具有不同功能的模块。最近的研究表明，模块化可以在各种情况下发展，包括目标随时间变化，从而共享相同的子目标（模块化变化的目标），或者当连接成本很高时。在这里，我们研究了模块化和稀疏性的起源，重点是突变过程的本质，而不是连接成本或目标的变化。我们使用不同的突变规则的进化模拟。我们发现，常用的求和规则突变，其中的相互作用是通过添加随机数突变，不导致模块化或稀疏，除非在特殊情况下。相比之下，乘积规则突变通过乘以随机数来改变相互作用--这是一个更好的生物突变效应模型--自然导致稀疏。当进化的目标是模块化的，即特定的输入组影响特定的输出组时，乘积规则的突变也会导致模块化结构，而求和规则的突变则不会。乘积规则突变产生稀疏性和模块性，因为它们倾向于减少交互，并使小的交互项保持较小。
2013-06-13 q-bio.MN q-bio.PE
Spectral Properties of Directed Random Networks with Modular Structure
我们研究了具有抑制性和兴奋性耦合的有向网络的谱。我们特别研究了不同模型网络的特征向量局部化特性，它们的条目之间的相关性不同。具有完全不相关项的随机网络的谱显示具有离域特征向量的圆形分布，其中具有相关项的网络具有局部特征向量。为了了解本地化的起源，我们跟踪光谱作为连接概率和方向性的函数。由于连接是定向的，本征态开始出现在复共轭对中，并且本征值分布与局部化测量相结合显示出丰富的模式。此外，对于一个很好区分的社区结构，整个频谱是本地化的，除了少数本征态的边界处的圆形分布。当网络偏离社团结构时，网络的局部化性质会发生突变，而此时网络的变形值很小。我们寻找这种效果的整个范围内的相关强度和不同的社区配置。此外，我们研究了斑马鱼代谢网络的光谱特性，并与模型网络的光谱特性进行了比较。
2011-10-18 cond-mat.dis-nn cs.SI physics.soc-ph
The evolutionary origins of modularity
一个核心的生物学问题是，自然界的有机体是如何进化的（能够快速适应新环境）。进化的一个关键驱动力是生物网络的广泛模块化-它们的组织作为功能，稀疏连接的亚基-但对于为什么模块化本身进化没有共识。虽然大多数假设假设间接选择的进化，在这里，我们证明了无处不在的，直接的选择压力，以减少网络节点之间的连接成本的原因出现模块化网络。与只选择性能的控制实验相比，使用选择压力来最大化网络性能和最小化连接成本的实验产生的网络更加模块化和更加可进化。这些结果将促进许多学科的研究，包括神经科学，遗传学和利用进化用于工程目的。
2013-06-18 cs.NE q-bio.MN q-bio.NC
Spontaneous Emergence of Modularity in a Model of Evolving Individuals and in Real Networks
我们调查的选择力，促进自然界中出现的模块化。我们展示了在不断变化的环境中进化的个体群体中模块化的自发出现。我们表明，模块化水平与环境变化的速度和严重性。模块化出现作为一个协同响应的噪音在环境中的水平基因转移的存在。我们认为，在自然界中观察到的层次结构可能是一个破缺的对称性状态，这一般是由于在不断变化的环境中的进化。为了支持我们的研究结果，我们分析了蛋白质相互作用的实验数据，并表明随着过去40亿年的进化，蛋白质相互作用网络变得越来越模块化。我们还讨论了一种方法来确定一个蛋白质的发散时间。
2009-02-23 q-bio.MN q-bio.PE
Evolution of regulatory networks towards adaptability and stability in a changing environment
多样性生物网络表现出不同于随机网络的普遍特征，引起了人们对多样性生物网络起源和意义的关注。在这里，我们提出了一个最小的进化模型的布尔调控网络，有选择地重新布线的链接，提高适应性不断变化的环境和稳定性对动态扰动的发展。我们发现，稀疏和异构的连接模式出现，这表明与真正的转录调控网络和代谢网络的定性协议。稳定性的特征标度行为反映了鲁棒性和灵活性之间的平衡。扰动传播中的波动标度显示出动态交叉，通过分别研究内部动力学的随机性和网络结构的不同，这取决于演化路径进行了分析。我们的研究描绘了进化的矛盾压力如何塑造生物网络，这可能有助于研究与环境相互作用的一般复杂系统。
2014-11-25 physics.bio-ph q-bio.MN q-bio.PE
Statistical model selection methods applied to biological networks
许多生物网络被称为无标度网络，因为它们的度分布可以近似地用幂律分布来描述。虽然度分布并不能概括网络的所有方面，但人们经常认为，它的函数形式包含了塑造网络的潜在进化过程的重要线索。一般来说，确定度分布的适当函数形式已经以特别的方式进行了拟合。在这里，我们应用正式的统计模型选择方法，以确定最好的功能形式描述蛋白质相互作用和代谢网络的度分布。我们解释的程度分布属于一类的概率模型，并确定这些模型提供了最好的描述的经验数据，使用最大似然推断，复合似然方法，赤池信息标准和拟合优度检验。整个数据用于确定在给定模型（例如无标度或随机图）下最好地解释数据的参数。正如我们将要展示的，目前来自不同生物体的蛋白质相互作用和代谢网络数据表明，简单的无标度模型不能充分描述真实的网络数据。
2005-06-10 q-bio.MN q-bio.OT
Modularity "for free" in genome architecture?
背景资料：最近的基因组-蛋白质组进化模型表明，细胞网络的全球结构所显示的一些关键特征可能是复制多样化（DD）过程的自然结果。这种进化的后果之一是出现了一个小世界架构以及无标度分布的相互作用。在这里，我们表明，这种结构出现的参数空间的域是有关的相变现象。在这个过渡点上，模块化架构作为DD过程的副产品自然出现。结果如下：虽然DD模型缺乏任何功能，因此不受功能约束，但它们显示了当调整到将高度连接的图与断开的系统分离的尖锐过渡点附近时由真实蛋白质组图显示的观察到的特征。接近这样的边界，地图显示无标度的层次组织，表现为小世界和模块化。结论：自然选择调整了平均连通性，使网络达到稀疏的连接图。这种情况的一个后果是，构建模块化网络的缩放定律和基本成分在这种转变附近免费出现。
2003-12-19 q-bio.GN q-bio.MN
