Autocatalysis in Reaction Networks
持久性猜想是化学反应网络理论中的一个长期未决问题。它关注的是耦合ODE系统的解决方案的行为，这些系统是由将质量作用动力学应用于化学反应网络而产生的。这个想法是，如果所有的反应在弱意义上都是可逆的，那么没有物种会灭绝。在思考持久性时，一个有用的概念是“关键虹吸”。“我们探索临界虹吸管的组合学，着眼于持久性猜想。我们介绍的概念“排水”和“自我复制”（或自催化）虹吸管。我们证明：每一个最小临界虹吸管都是可排水的或可自我复制的;没有可排水虹吸管的反应网络是持久的;非自催化弱可逆网络是持久的。我们的研究结果澄清，证明持久性猜想的困难，基本上是由于排水和自我复制的虹吸管之间的竞争。
2014-08-06 cs.CE math.DS q-bio.MN
Identifiability from a few species for a class of biochemical reaction networks
在质量作用动力学下，生化反应网络产生多项式自治动力系统，其参数通常难以估计。本文主要研究一类生物化学网络的动力学参数的确定问题，如多位点磷酸化系统和磷酸化级联（如MAPK级联）。对于任何系统的这类我们明确表现出一个单一的物种为每个连接组件的相关的有向图，使连续的总导数的浓度允许我们确定所有的参数发生在组件。所需要的导数的数量基本上由有向图的相应连通分支的长度所限定。此外，在特定的情况下的级联，我们表明，参数可以确定从一个有界的最后一层的最后一个产品的连续衍生物。这一理论结果也诱导一个启发式的插值为基础的identifiability程序，从精确的测量恢复的速率常数的值。
2019-04-25 q-bio.MN
Noise enhanced persistence in a biochemical regulatory network with feedback control
我们发现，抑制（信号）分子的离散噪声可以大大延迟质粒复制系统中质粒的灭绝：一个原型的生化调控网络。我们计算的亚稳态的质粒的概率分布，并显示在这个例子中，反应速率方程可能无法预测的平均数量的调节分子，即使这个数字是大的，时间比平均消光时间短得多。
2007-12-02 cond-mat.stat-mech q-bio.MN
Quantifying efficient information transduction of biochemical signaling cascades
细胞可以被认为是利用热力学熵的变化作为信息的系统。因此，它们可以作为研究熵产生和信息传递之间关系的有用模型，即，信号转导基于细胞应用化学反应级联以最有效地转导信息的假设，我们采用了一种编码设计，该设计使用于信息转导的每浓度分子的比特数最小化。因此，在级联反应中，熵产生的平均速率在所有循环中是均匀的。因此，熵产生率可以是用于量化细胞内信号转导的有价值的量度。
2017-03-08 physics.bio-ph q-bio.MN
Disconnectivity in Multistationarity Regions of Cascade of Goldbeter--Koshland Loops
研究Goldbeter-Koshland环级联网络多稳态区域连通性问题，通过分析反应速率空间和全参数空间，发现n≥2且有共享磷酸酶时反应速率空间区域连通，n = 2时连通区域数量上下限有差距。
2026-07-29 q-bio.MN q-bio.QM
Bioinspired Associative Memory System Based on Enzymatic Cascades
设计了一种基于酶促反应的生物分子系统，首次实现了基于酶促反应的联想记忆。该系统展示了生物系统中记忆的“训练”和“遗忘”特征，但目前仅在简单的生物催化级联中实现。
2013-11-03 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.MN
A Projection Argument for Differential Inclusions, with Applications to Persistence of Mass-Action Kinetics
Tata Institute of Fundamental Research（塔塔基础研究所）；Duke University（杜克大学）；University of Chicago（芝加哥大学）
引入顶点族微分包含概念，通过投影映射的良好性质，利用结构归纳法证明轨迹趋近边界等价于趋近超立方体顶点或低维成员轨迹趋近边界，推进了质量作用动力学系统的全局吸引子猜想。
2013-03-26 cs.SY eess.SY math.DS
The interplay between discrete noise and nonlinear chemical kinetics in a signal amplification cascade
我们使用了各种分析和数值技术，以阐明在一个小的酶级联信号的传播受到外部和内部的噪音。作为蛋白质信号转导级联的基础，催化反应的非线性特征使得细胞溶质生化网络中的随机信号动力学不同于基因调控网络中的随机动力学。对于一个简单的2步酶级联反应，它是许多重要的蛋白质信号通路的基础，我们证明了常用的技术，如线性噪声近似和Langevin方程变得不充分时，蛋白质的数量变得太少。因此，我们开发了一种新的分析近似，基于混合的生成函数和分布函数的方法，描述非线性化学信号动力学这一类重要的生化反应的主方程的解决方案。我们的技术比以前使用的方法在更广泛的蛋白质数量波动范围内工作。我们发现，在某些条件下，突发相位噪声可能会注入到下游信号网络的动力学，可能会导致异常大的宏观波动。除了计算第一和第二时刻，这是常用的分析技术的目标，我们的新方法提供了完整的时间依赖的概率分布的有色非高斯过程中的非线性信号转导级联。
2006-07-19 q-bio.MN q-bio.QM
Autocatalytic systems and recombination: a reaction network perspective
自催化系统经常被纳入“生命起源”模型，曼弗雷德·艾根（Manfred Eigen）在经典超循环的背景下分析了这种联系。我们研究了某些称为双分子自催化系统的网络的动力学。特别是，我们认为在这些网络中的相对人口的动态，并表明，他们可以通过研究精心选择的自治多项式动力系统进行分析。此外，我们发现，可以使用反应网络理论的结果来证明持久性和持久性的几种类型的双分子自催化系统称为自催化重组网络。
2020-12-10 math.DS 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
Regions of multistationarity in cascades of Goldbeter-Koshland loops
我们认为级联的酶Goldbeter-Koshland循环与任何数量n层，其中存在两层涉及相同的磷酸酶。即使变量的数目和守恒律的数目随n线性增长，我们也能在反应速率常数和总守恒常数空间中找到相关的质量作用动力学动力学系统是多稳态的明确区域。我们的计算是基于arXiv：1807.05157中我们的同伴论文的理论结果，这些结果受到Bihan，Santos和Spaenlehauer在实代数几何中的结果的启发。
2018-07-23 math.DS q-bio.MN
Robust Lyapunov Functions for Reaction Networks: An Uncertain System Framework
我们提出了一个框架，找到一个李雅普诺夫函数的化学反应网络（CRN）在浓度坐标与任意单调动力学的问题，找到一个共同的李雅普诺夫函数的线性参数变化系统的反应坐标。替代制剂的建议李雅普诺夫函数。这是适用于重新解释以前的结果，作者分段线性率李雅普诺夫函数，并建立一个链接与收缩分析。讨论了平衡点的持久性和唯一性。
2017-10-29 math.DS math.OC q-bio.MN
Catalysis in Reaction Networks
我们将催化网络定义为具有基本催化反应路径的化学反应网络：在某些催化剂存在时打开，在没有催化剂时关闭。我们表明，催化网络的例子包括合成DNA分子电路，这些电路已被证明可以执行信号放大和分子逻辑。回想一下，临界虹吸管是化学反应网络中物种的一个子集，它的缺失是前向不变的，并且与正点化学计量相容。我们的主要定理是，所有具有临界虹吸管的弱可逆网络都是催化的。因此，我们获得了Adleman等人的原子事件系统的持久性的新的证明，和Gnacadja的正常网络。我们定义了自催化网络，并推测弱可逆反应网络具有临界虹吸管当且仅当它是自催化的。
2011-05-11 math.AC q-bio.MN
Concordant Chemical Reaction Networks
我们描述了一个大类的化学反应网络，那些被赋予一个微妙的结构属性称为和谐。我们表明，这类和谐的网络正好与网络的类，当采取任何弱单调动力学，总是会产生动力学系统，是内射-质量，除其他外，排除了开关的可能性之间的过渡不同的积极的稳定状态。我们还提供了一致性网络的持久性特征，不一致性的不稳定性影响，以及一致性更强的变体的后果。我们的一些结果与Banaji和Craciun最近的结果是一致的，但这里我们并不要求每个物种都经历降解反应。这在研究生物化学网络时尤其重要，因为很少有所有物种都降解。
2011-09-13 math.DS q-bio.MN
Mutual information in time-varying biochemical systems
细胞必须不断地感知和响应随时间变化的环境刺激。这些信号通过生化信号网络传输和处理。然而，组成这些网络的生化反应本质上是嘈杂的，这限制了细胞内信号的可靠性。在这里，我们使用信息论来验证时变信号在噪声存在下通过基本生化反应传输的可靠性。我们计算的互信息的瞬时测量和生化系统的高斯模型的轨迹。我们的研究结果表明，相同的网络可以有根本不同的特性传输的瞬时信号和轨迹。对于轨迹，网络响应输入信号变化的能力由反应事件的时序决定，并且与网络输出的相关时间无关。我们还研究了如何可靠地在不同的时间尺度上的信号可以通过考虑频率相关的相干性和增益噪声比传输。我们发现，检测时不消耗配体分子的检测器可以更可靠地传输缓慢变化的信号，而吸收检测器可以更可靠地传输快速变化的信号。此外，我们发现，虽然一个反应可能会更可靠地传输信息比另一个被认为是孤立的，当放置在一个信号级联的两个反应的相对性能可以逆转。这意味着在信令级联的单个级别优化信号传输可以降低级联作为整体的信令性能。
2010-06-16 q-bio.MN q-bio.SC
Predicting effects of structural stress in a genome-reduced model bacterial metabolism
我们通过跟踪有害扰动后在其代谢网络上传播的损伤，研究了基因组减少的模式细菌生物肺炎支原体中结构应力的计算机效应。首先，我们分析了从单个反应和成对反应传播的失败级联，并将结果与金黄色葡萄球菌和大肠杆菌中的结果进行了比较。为了提醒潜在的损害所造成的个别反应的失败，我们提出了一个通用的预测的基础上，确定目标反应的结构脆弱性的本地信息。相对于反应对的同时失败，我们检测到强的非线性放大效应，可以通过在单级联的交叉点中存在特定的基序来预测。我们进一步连接了M. pneumoniae通过酶活性，并研究了敲除单个基因和基因簇的后果。单基因敲除造成的损害揭示了基因组规模的级联大的影响和基因的重要性之间的强相关性。与此同时，我们发现控制高损伤反应的基因倾向于在功能隔离中运作，作为一种代谢保护机制。我们的结论是M.与其它更复杂的模式细菌生物体类似，肺炎克雷伯氏菌在代谢和基因组水平上似乎已经朝着增加的结构稳健性进化，尽管其基因组大小减小并且其代谢网络线性更大。我们的方法，虽然动机生化，是通用的，足以对任何二分复杂网络的结构应力的分析和预测传播的潜在用途。
2012-02-27 cond-mat.dis-nn physics.bio-ph 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
Hopf Bifurcations of Reaction Networks with Zero-One Stoichiometric Coefficients
对于化学计量系数为01的反应网络（或简称为01网络），证明了如果网络存在Hopf分支，则化学计量矩阵的秩至少为4.作为一个推论，我们证明了，如果一个0 - 1网络承认一个霍普夫分支，那么它至少包含四个物种和五个反应。作为应用，我们证明了在MAPK级联和ERK网络这两个具有生物学意义的网络中，存在具有Hopf分叉/振荡能力的四阶子网络.我们提供了一个计算工具，计算所有的四种，五反应，零一网络，有能力的霍普夫分叉。
2022-08-08 math.DS 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
Endotactic Networks and Toric Differential Inclusions
生物相互作用网络的一个重要动力学性质是持久性，这直观地意味着“没有物种灭绝”。已经证明，弱可逆网络的动力系统模型（即，每个反应是循环的一部分的网络）是持久的。持久性的性质也与著名的全局吸引子猜想有关。将弱可逆动力系统嵌入到复曲面微分包含中，证明了全局吸引子猜想。我们证明了更大类的内生动力系统也可以嵌入到复曲面微分包含中。此外，我们表明，本质上，内趋网络形成了最大的一类网络与此属性。
2019-06-19 math.DS 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
