Quantifying fluctuations in reversible enzymatic cycles and clocks
生化反应在分子尺度上基本上是有噪声的。这限制了反应网络的精度，但也允许波动测量，这可能揭示底层生化网络的结构和动力学。在这里，我们研究非平衡反应循环，如分子马达的机械化学循环，生物钟蛋白质的磷酸化循环，或酶的过渡态循环。在这样的周期波动可以测量使用的随机性参数，我们证明是等效的一般微观可逆循环的两个经典定义。定义了可逆循环的随机周期，并给出了其矩的解析解。此外，我们将这两种形式的随机性参数与热力学不确定性关系相关联，这限制了热力学量方面的周期的定时精度。我们的研究结果也应该被证明是有用的时间波动在更一般的网络的研究。
2018-03-09 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.MN
Theoretical Modeling Expressions for Networked Enzymatic Signal Processing Steps as Logic Gates Optimized by Filtering
我们描述的建模方法连接的酶催化反应的“网络”，增加（生物）化学过程，引入生化过滤步骤到这样的生物催化级联的功能。理论表达式推导出，允许简单的，少参数建模的级联过程中，无论有没有过滤。建模方法捕获和解释的功能，在早期的研究中确定的酶的过程被认为是潜在的“网络组件”的多步信息/信号处理系统。
2016-06-04 cond-mat.soft q-bio.MN
Two-Input Enzymatic Logic Gates Made Sigmoid by Modifications of the Biocatalytic Reaction Cascades
基于生物化学过程的计算是非常规信息和信号处理的一个最新发展迅速的领域。在本文中，我们提出了我们在生化计算领域的研究成果，并总结了实现标准的双输入或和与门的输出信号的双S形的数值和实验数据。这种形式的响应是作为每个实现的生化系统中的两个输入的函数而获得的。第一个系统中的酶门过程被两种化学输入激活，并导致光学检测的色原氧化，这发生在一个或两个输入存在时。在这种情况下，生化系统就像或门一样工作。我们证明，除了一个“过滤”的生物催化过程导致噪声传输因子的显着减少，所得到的门响应在两个输入中具有S形形状。第二个系统被开发为用作与门，其中输出信号仅通过两种酶生物标志物的同时作用来激活。这种反应可以用作肝损伤的指标，但只有当这两种输入都以其升高的病理生理学浓度值存在时。一个动力学的数值模型，并用于估计实验实现的逻辑门接近最佳的参数范围。我们还分析了系统，以评估其噪声处理性能。
2013-05-25 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.MN
Networked Enzymatic Logic Gates with Filtering: New Theoretical Modeling Expressions and Their Experimental Application
我们报告的第一个研究网络连接的酶催化反应，添加化学和酶的过程，将最近开发的生化过滤步骤到这个生物催化级联的功能。新的理论表达式推导出允许简单的，少参数建模的网络组件级联在这样的级联，无论有没有过滤。推导出的表达式进行测试，对实验数据获得的实现网络的响应，光学测量，其输入的化学品的浓度的变化，有和没有过滤过程。我们还描述了本建模方法如何捕捉和解释几个观察和功能，在早期的研究中确定的酶过程时，他们被认为是潜在的网络组件的多步信息/信号处理系统。
2013-12-16 physics.bio-ph q-bio.MN
Optimal information transfer in enzymatic networks: A field theoretic formulation
酶网络中的信号传导通常由环境波动触发，导致一系列随机化学反应，导致信号被噪声破坏。例如，信息流是通过细胞外配体与受体的结合而启动的，其通过激酶-磷酸酶随机化学反应传递。对于一类这样的网络，我们开发了一个通用的场论方法，以计算信号传输中的误差作为一个适当的控制变量的函数。将该理论应用于简单的推挽网络（激酶-磷酸酶级联中的模块），恢复了先前使用本影演算获得的信号传输中的误差的精确结果（Phys.Rev.X.，{ \bf 4}，041017（2014））。我们说明了理论的一般性，通过研究的最小误差，在噪声降低的反应级联与两个连接的推挽模块。这样的级联表现为具有伪中间体的有效的{三物种}网络。在这种情况下，最佳的信息传输，导致输入和输出之间的误差的最小平方，发生的时间延迟，这是由伪中间的衰减率的倒数。对于一定范围的参数，在酶推挽网络中的信号传播误差中，线性理论的模拟和预测之间存在实质性偏差。包括二阶微扰修正表明，模拟和理论预测之间的差异最小化。我们的研究建立了随机生物信号的场论公式，提供了一种系统的方法来理解任意复杂网络中的错误传播。
2017-04-24 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech math-ph
Fast-Slow Analysis of a Model For the Stimulation of Enzymatic Activity by a Competitive Inhibitor
本研究通过三时间尺度简化竞争性抑制模型，证明所得速率方程保留双相剂量反应等关键属性，有助于开发酶激活剂疗法。
2025-09-08 q-bio.MN
Analysis of noise-induced bistability in Michaelis Menten single-step enzymatic cycle
在本文中，我们研究了噪声诱导的双稳态在一个特定的电路，具有许多生物学意义，即一个单步酶循环描述的米氏方程与准稳态假设。我们研究了系统的主方程形式主义，并与福克-普朗克连续近似，其特征的条件下，连续的方法是一个很好的近似精确的离散模型。对这两种情况下的平稳分布的分析表明，双峰性在这样的系统中不可能发生。我们讨论了额外的要求可以产生随机双峰，通过耦合系统与化学反应，涉及酶的生产和营业额。这个扩展的系统只在特定的参数窗口中显示了依赖于所涉及的分子数量的行为，提供了关于哪个应该是可行的系统大小的提示，以便这种现象可以在实际的生物系统中被利用。
2011-07-22 physics.bio-ph q-bio.MN
Corrected Hill Function in Stochastic Gene Regulatory Networks
本文针对随机生物电路中酶促反应涨落不可忽略的情况，从完整反应主方程推导了随机版本的Hill函数，并通过浓度均值附近的级数展开对确定性Hill函数进行修正，发现基因调控网络倾向速率的变异性具有非线性效应，可降低mRNA和蛋白质浓度的内在涨落。
2024-08-22 q-bio.BM q-bio.MN
Adjoint Sensitivity Analysis on Multi-Scale Bioprocess Stochastic Reaction Network
本文针对生物制造数字孪生中的参数学习难题，提出一种基于酶促随机反应网络的伴随灵敏度分析方法，以高效、可解释地评估输入与输出间的因果灵敏度，并加深对生物过程调控机制的理解。
2024-06-28 q-bio.MN stat.ML
Transients generate memory and break hyperbolicity in stochastic enzymatic networks
催化速率对底物浓度的双曲线依赖性是酶动力学中的经典结果，由著名的Michaelis-Menten方程量化。这种关系在不同的化学和生物学背景下的普遍存在，最近已经合理化的确定性反应网络的图论分析。然而，实验已经揭示，“分子噪声”--分子尺度上的内在随机性--导致与经典结果的显著偏差，并导致意想不到的效应，如“分子记忆”，即，营业额事件之间的统计独立性的崩溃。在这里，我们表明，通过一种新的分析方法，记忆和非双曲性有一个共同的来源，在一个初始的，可观察到的长，瞬态特有的随机反应网络的多个酶。单一酶的网络不允许这样的瞬变。瞬态产量，渐近，到一个稳定的状态，记忆消失和双曲恢复。我们提出了新的统计措施，定义在周转时间，以区分瞬态和稳态，并将这些实验数据从一个具有里程碑意义的实验，首先观察到分子记忆在一个单一的酶与多个结合位点。我们的研究表明，在分子水平上的催化与一个以上的酶总是包含一个非经典的制度，并提供了洞察如何达到经典的限制。
2020-10-02 physics.bio-ph physics.chem-ph q-bio.BM
Optimization of collective enzyme activity via spatial localization
酶的空间组织通常在酶途径的功能和效率中起着至关重要的作用。为了充分理解酶途径的设计和操作，了解酶的相对排列如何影响途径功能至关重要。在这里，我们调查的影响，酶的本地化的最小的两个酶的反应扩散模型内的途径的流量。我们考虑不同的反应动力学，空间尺寸，和损失机制的中间基板分子。我们对这一模式的不同制度的系统分析揭示了这些不同制度的现象学中的普遍特征和独特特征。特别地，使反应通量最大化的第二途径酶的分布经历了从当第二酶的催化效率低时与第一酶共定位到当催化效率高时扩展分布的一般转变。然而，临界过渡点和扩展的最佳配置文件的形状显着影响的模型的具体功能。我们解释了这些不同的系统的行为在潜在的随机反应和扩散过程中的单一基板分子。
2013-10-11 q-bio.MN q-bio.SC
The Goldbeter-Koshland switch in the first-order region and its response to dynamic disorder
在他们的经典作品（Proc. Natl. Acad. Sci. USA，1981，78：6840-6844），Goldbeter和Koshland数学分析了对效应物浓度高度敏感的可逆共价修饰系统。它的信号响应曲线呈S形，构成了一个生化开关。然而，开关行为只出现在“零级区域”，即当信号分子浓度远低于它修饰的底物的浓度时。在这项工作中，我们表明，开关行为也可以发生在可比浓度的信号和底物，提供的信号分子催化的修饰反应的合作。我们还研究了动态障碍对建议的生化开关的影响，其中酶促反应速率，而不是常数，出现作为时间的随机函数。我们表明，该系统是强大的动态无序在散装浓度。但如果动态无序是准静态的，则在低浓度下可以观察到开关响应行为的大波动。这种波动与许多生物功能有关。它可以通过增加蛋白质的构象互变率或关联网络中的酶促反应速率来降低。
2008-04-15 q-bio.MN
Stochastic Molecular Reaction Queueing Network Modeling for In Vitro Transcription Process
本文提出一种结合调控动力学模型的随机分子反应排队网络，用于体外转录过程的机制仿真，以提升mRNA疫苗生产中IVT酶促反应网络的预测与分析，实验表明该模型在不同条件下性能良好，可改善产品质量与产量。
2023-06-21 q-bio.MN
Stochastic simulation of biochemical systems with randomly fluctuating rate constants
在单酶反应的实验研究中，有人提出酶促反应的速率常数根据给定的分布随机波动。为了量化随机速率常数所产生的不确定性，有必要研究如何模拟这样的生化系统。要做到这一点，我们将采取Gillespie的随机模拟算法模拟化学系统的状态的演变，并研究修改的算法，将随机速率常数。除了模拟每个反应步骤的等待时间外，改进的算法还涉及模拟每个反应时间的速率常数的随机波动。我们认为修改后的算法在一个一般的框架，然后专门为两个对比的物理模型，其中一个波动发生在一个更快的时间尺度比反应步骤，和其他的波动发生得更慢。后一种情况被施加到单酶反应系统，部分使用Metropolis-Hastings算法来制定给定的分布上的随机速率常数。修改后的算法产生的仿真输出，证实了实验结果。人们希望，这种修改后的算法可以随后被用来作为一种工具，在系统中使用实验数据的参数估计或校准。
2012-02-06 q-bio.MN q-bio.QM
Frequency spectrum of biological noise: a probe of reaction dynamics in living cells
即使在稳定状态下，活细胞中的生物分子的数量也会动态波动;这种化学波动的频谱携带了关于产生这些生物分子的细胞内反应的机制和动力学的有价值的信息。尽管单细胞实验技术的最新进展使得能够直接监测每个细胞中生物噪声的时间轨迹，但提取细胞内化学波动的随机动力学中编码的信息所需的理论工具的发展仍处于青春期。在这里，我们提出了一个简单的和一般的方程，涉及到产品的寿命和产品的创建过程中的反应动力学的产品数量波动的功率谱。通过使用该理论分析蛋白质拷贝数的时间轨迹，我们可以提取mRNA数量的功率谱，这是目前可用的实验技术无法直接测量的。从mRNA数量的功率谱中，我们可以进一步提取有关转录调控动力学的定量信息。我们的功率谱分析的基因表达噪音的基因网络模型的Bmal 1a启动子的控制下，在小鼠成纤维细胞中的荧光素酶表达证明。此外，我们研究了非泊松反应动力学和细胞与细胞的异质性在转录和翻译影响的功率谱的mRNA和蛋白质的数量。
2018-08-18 physics.bio-ph q-bio.MN
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
Living on the edge of chaos: minimally nonlinear models of genetic regulatory dynamics
线性化的催化反应方程，例如，在表达水平，即核酸物质的分子浓度为正的约束下，对遗传调控网络的动力学进行建模，表现出非平凡的动力学性质，这取决于反应网络的平均连接性。在这些系统中，混沌边缘的膨胀和多重稳定性已经被证明是存在的。正性约束引入了非线性，这使得混沌动力学成为可能。尽管这种最小非线性系统很简单，但它们的基本性质允许理解复杂生物反应网络的基本动力学性质。我们分析的李雅普诺夫谱，确定的概率找到平稳振荡的解决方案，证明了有效的在和出度的主动相互作用网络的非线性的效果，并研究如何振荡模式的频率分布的系统依赖于平均连接。
2010-05-07 cond-mat.dis-nn q-bio.MN
Sustained oscillations in the MAP kinase cascade
MAP激酶级联反应是一个分层排列的酶促反应网络。在每一层中发生磷酸化的多重无效循环。然后，完全磷酸化的底物作为下面一层的酶。本文主要讨论了系统发生Hopf分岔并产生周期轨道的参数的存在性。此外，它是如何解释几何奇异摄动理论允许从简单的模型推广到更复杂的结果。
2015-09-09 math.CA math.DS q-bio.MN
Modeling and Modifying Response of Biochemical Processes for Biocomputing and Biosensing Signal Processing
涉及多输入多步反应级联的过程用于开发新的生物传感、生物计算和决策系统。在各种应用中，级联中的组成处理步骤（反应）的响应的不同变化是期望的，以便允许控制系统的响应。在这里，我们考虑转换的凸响应，S形的“强度过滤”，以及“阈值过滤”，我们提供了一个总体概述这一领域的研究。具体而言，我们调查速率方程建模已用于酶促反应。这使我们能够设计修改后的生化过程作为“网络组件”与应用程序中所需的响应。
2016-06-04 cond-mat.soft q-bio.MN
Noise and critical phenomena in biochemical signaling cycles at small molecule numbers
活细胞中的生化反应网络通常涉及信号分子的可逆共价修饰，例如蛋白质磷酸化。在小分子数量的条件下，就像活细胞中经常发生的那样，质量作用理论无法描述这种系统的动力学。相反，生化反应必须被视为随机过程，本质上产生的化学物质的浓度波动。我们研究共价修饰循环（CMC）的随机反应动力学的解析建模和数值精确的Monte-Carlo模拟的时间波动的浓度。根据不同的参数制度，我们发现的概率密度的浓度定性不同类的分布函数，包括幂律分布的分数和可调指数。这些发现挑战了生化控制网络作为确定性计算系统的传统观点，并表明细胞中的CMC可以作为通用和可调的噪声发生器。
2009-07-15 q-bio.MN
BiRNe: Symbolic bifurcation analysis of reaction networks with Python
针对现有反应网络分析方法计算复杂、仅适用于小网络的问题，提出BiRNe Python模块，采用符号方法检测含10-20个物种的参数丰富网络的分支，识别最小自催化子网络、表征零特征值分支以判断多稳态，并检测正反馈引起的振荡分支。
2025-11-18 math.DS q-bio.MN
Structural Bifurcation Analysis in Chemical Reaction Networks
在活细胞中，化学反应形成复杂的网络。从这种网络中产生的复杂动力学是生物功能的起源。提出了一种从网络结构分析反应系统分岔行为的数学方法。整个网络被分解成基于“缓冲结构”的子网络。对于每个子网络，分别研究了分岔条件，确定了能引起分岔的参数和能表现出分岔的化学物质。我们使用假设和真实的网络来证明我们的理论。
2017-11-06 math.DS physics.bio-ph q-bio.MN
Sensitivity and Network Topology in Chemical Reaction Systems
在活细胞中，生化反应由特定的酶催化，并通过共享底物和产物相互连接，形成复杂的网络。在我们以前的研究中，我们建立了一个框架，确定酶扰动的反应只从网络拓扑结构，然后证明了一个定理，称为本地化的法律，解释响应模式的网络拓扑结构。在本文中，我们将这些结果推广到具有守恒浓度的反应网络，这使我们能够研究任何反应系统。我们还提出了新的网络特征量化鲁棒性。我们比较了E.大肠杆菌代谢网络与随机重布线网络的鲁棒性，发现E.大肠杆菌网络的最优解显著高于随机网络。
2017-09-05 physics.bio-ph q-bio.MN q-bio.SC
Law of localization in chemical reaction networks
在活细胞中，化学反应通过共享其产物和底物而连接，并形成复杂的网络，例如代谢途径。在这里，我们开发了一个理论来预测的灵敏度，即浓度和流量的扰动酶的反应，从网络结构单独。结果表明，反应表现出两种特征模式，$localization$和$hierarchy$。我们提出了一个一般定理连接灵敏度与网络拓扑结构，解释这些特征模式。我们的研究结果表明，网络拓扑结构是生物鲁棒性的起源。最后，我们提出了一个策略，以确定真正的网络从实验测量。
2016-07-04 math.DS physics.bio-ph q-bio.MN
