Theoretical estimation of metabolic network robustness against multiple reaction knockouts using branching process approximation
在我们以前的研究中，我们表明，分支过程近似是有用的估计代谢的鲁棒性，使用影响度测量。通过应用随机家庭森林理论，我们在这里扩展的分支过程近似考虑敲除{ \it多}反应，灵感来自最近的计算和实验研究报告的多个敲除的重要性。此外，我们提出了一个更好的定义，每个反应节点的后代的数量，允许作为一个单一的敲除的结果获得的影响程度分布的改进估计。重要的是，我们提出的方法也适用于多次敲除。理论预测与实际代谢网络数值模拟结果的比较表明，基于随机家族森林模型的多反应敲除影响度分布估计方法是有效的.
2013-07-18 physics.data-an q-bio.MN
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
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
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
Spontaneous Reaction Silencing in Metabolic Optimization
单细胞生物体的代谢反应通常被观察到在某些情况下变得异常或甚至不能进行活性。然而，与这种行为相关的机制以及条件和表型的范围仍然知之甚少。在这里，我们预测计算和分析，任何生物体进化到最大限度地提高生长速度，ATP生产，或任何其他线性函数的代谢通量往往显着减少活跃的代谢反应的数量相比，典型的非最佳状态。减少的数量在所研究的微生物物种中似乎是恒定的，并且仅略大于生物体生长所需的最小数量。我们发现，这种大规模的自发反应沉默是由大部分代谢反应的不可逆性引发的，并通过网络传播作为一个级联的不活动。我们的研究结果有助于解释现有的细胞内通量测量和潜在途径的使用实验数据，为微生物进化，鲁棒性和执行特定生化任务的多功能性提供新的线索。特别是，最佳反应活性的鉴定为最近提出的用于代谢功能的合成恢复的有趣的基于敲除的方法提供了严格的基础。
2009-01-16 cond-mat.dis-nn q-bio.CB q-bio.MN
Metabolic plasticity in synthetic lethal mutants: viability at higher cost
代谢网络中最常见的成对合成致死（SL）形式被称为可塑性合成致死（PSL）。当成对的功能性和沉默的代谢反应或基因的同时抑制是致命的，而成对的功能性反应或基因的默认被沉默的一个激活支持时，就会发生这种情况。基于一个复杂的系统的方法，并通过使用计算技术对细菌基因组规模的代谢重建，我们发现，失败的功能PSL合作伙伴触发一个关键的重组通量，以确保在突变体中的生存能力，这不仅影响SL对，但其他相互关联的反应，形成我们所谓的SL集群的一个显着的部分。有趣的是，SL集群表现出很强的纠缠在沉默的同质反应，结合在一起形成备份系统，和其他功能和沉默的反应在代谢网络。这种强烈的重叠，也在基因水平上检测到，减轻了获得的脆弱性和增加的结构和功能成本，这些成本为基本可塑性提供的鲁棒性付出了代价。最后，在不同的SL集群中的同质反应和基因的参与是非常异质的，并且在许多SL集群的交叉点处的那些可以作为在复杂疾病的治疗中更有效的药物作用的超级靶标，并且阐明针对减少病原体中对化学物质的不期望的抗性的改进策略。
2017-07-16 cond-mat.dis-nn physics.bio-ph 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
Reaction Network Analysis of Metabolic Insulin Signaling
绝对浓度鲁棒性（ACR）和协调性是化学反应网络理论中鲁棒性和稳定性理论的新概念。在本文中，我们扩展了Shinar和Feinberg的反应网络分析方法的基础上分解反应网络的最新进展，胰岛素信号系统。我们已经表明，网络与20种，35个配合物，和35个反应是一致的，这意味着在每个化学计量相容性类最多一个正平衡。我们已经得到了系统的最好的独立分解，由10个子网络，其中粗揭示了三个子网络，不仅功能上，而且结构上的重要性。利用网络的亏损导向粗化，我们已经开发出一种方法来确定整个网络的正平衡。我们的分析还表明，该系统有8个物种的ACR都来自一个亏零子网络。有趣的是，我们已经表明，对于一组速率常数，胰岛素调节的葡萄糖转运蛋白GLUT 4（在葡萄糖能量代谢中很重要）具有稳定的ACR。
2022-09-13 math.AG q-bio.MN
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
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
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
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
Towards Kinetic Modeling of Global Metabolic Networks with Incomplete Experimental Input on Kinetic Parameters
这是第一份报告，据我们所知，一个系统的方法来构建一个大规模的动力学代谢模型与动力学parametersr的不完全信息，其初步应用到建模的中央代谢甲基杆菌扭脱AM1，一个甲基营养和环境的重要细菌，与所有必要的限制。通过一个系统的和一致的程序，找到一组参数的生理范围内，我们克服了一个突出的困难，在大规模的动力学建模：大量的酶促反应参数的要求。我们能够构建动力学模型的基础上，一般的生物学考虑和不完整的实验动力学参数。我们的方法与不完全输入信息的成功是由生物学中的两个已知的原则，系统的鲁棒性和它的各个部分之间的合作。(Will很高兴了解处理同类问题的其他方法：aoping@u.washington.edu）
2008-08-02 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
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
Relationship between fitness and heterogeneity in exponentially growing microbial populations
尽管存在主要的环境和遗传差异，但已知微生物代谢网络在非常不同的生物体中产生一致的生理结果。这种显著的稳健性表明，至少在细菌中，代谢活动可能受到普遍原则的指导。生长率等进化目标函数的约束优化已经成为细菌代谢研究的关键理论假设。虽然在许多情况下在概念上和实际上都很有用，但某些功能被优化的想法很难在数据中得到验证。此外，在微生物种群的实验中观察到的单细胞变异性的高度，如何使最优性协调一致，这一点并不总是很清楚。为了阐明这些问题，我们开发了一个逆向建模框架，该框架通过从数据中对代谢表型分布进行最大熵推断，将细胞群体（由平均单细胞生长速率表示）的适应性与潜在的代谢变异性联系起来。虽然没有明确的目标函数出现，我们发现，随着介质变得更加丰富，大肠杆菌种群的适应性和推断的变异性遵循，并慢慢接近理论上的最佳界限定义的变异性在给定的健身最小减少。这些结果表明，细菌的代谢可能是至关重要的人口水平的增长和异质性之间的权衡塑造。
2022-04-07 cond-mat.dis-nn cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
A Monte Carlo Approach to Measure the Robustness of Boolean Networks
生物网络中鲁棒性的出现是进化生物体的一个重要特征，但是对于任何水平的表示，如遗传，代谢或神经元网络，在体内研究这种特性是一个非常艰巨的挑战。在遗传网络的情况下，数学模型已被用于在这种情况下，以提供其鲁棒性的见解，但即使在相对简单的公式，如布尔网络（BN），它可能是不可行的，以计算一些措施的大系统的大小。在这项工作中，我们描述了一种蒙特卡罗方法来计算BN的最大吸引盆地的大小，这与其鲁棒性本质上相关，无论网络大小如何都可以使用。我们通过有限大小的分析证明了我们的方法的稳定性，并在小型网络上进行了全搜索。
2012-10-17 q-bio.MN
Hierarchical Network Structure Promotes Dynamical Robustness
网络拓扑结构和系统动力学之间的关系具有重要意义，统一我们的理解之间的相互作用代谢，基因调控，生态系统网络architecures。在这里，我们分析了此类网络上一大类动态的稳定性和鲁棒性。我们确定的概率分布的鲁棒性作为网络拓扑结构的函数，并表明，鲁棒性的网络模块之间的链接数进行分类。我们还证明了这些模块的置换是一个基本的对称性的动态鲁棒性。对这些发现的分析得出的结论是，最强大的系统具有最多的层次结构。这种关系提供了一种手段，通过这种手段，进化选择一个纯粹的动力学现象可能会塑造网络架构的生物层次的规模。
2015-06-16 nlin.CD physics.data-an q-bio.MN
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
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
Metabolite essentiality elucidates robustness of Escherichia coli metabolism
复杂的生物系统在组织的各个层面上对遗传和环境的变化都非常强大。大肠杆菌代谢的许多生物学功能可以通过使用冗余或替代途径来抵抗单基因甚至多基因突变。因此，只有有限数量的基因被鉴定为对细胞是致命的。在这方面，以反应为中心的基因缺失研究在理解代谢稳健性方面具有局限性。在这里，我们报告使用通量总和，这是一个特定的代谢物周围的所有传入或传出通量在伪稳态条件下的总和，作为一个很好的保守属性，阐明这种鲁棒性的E。从代谢物的角度来看。的功能行为，以及对细胞生存至关重要的代谢产物的结构和进化特性，通过基于约束的通量分析扰动条件下进行了研究。必需代谢物能够保持稳定的通量总和，即使对严重的扰动，积极重新分配相关的通量。发现破坏通量和维持抑制细胞生长。这种分析代谢物必要性的方法提供了对细胞稳健性和伴随的脆弱性的深入了解，其可用于多种应用，包括用于治疗病原体的新药的开发。
2007-08-14 physics.bio-ph q-bio.MN q-bio.QM
Thermodynamic Constraints Drive Hierarchical Preemption in Cellular Decision-Making: A Hybrid Petri Net Framework with Application to Bacillus subtilis Sporulation
Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC)（圣卡塔琳娜联邦大学）
该研究通过混合Petri网框架揭示热力学约束如何驱动芽孢杆菌孢子形成中的能量高效决策。
2026-01-07 q-bio.CB q-bio.GN q-bio.MN
Investigating the robustness of the classical enzyme kinetic equations in small intracellular compartments
酶动力学的经典描述忽略了细胞内环境的物理性质。这些方法背后的主要隐含假设是反应发生在足够大的隔室体积中，使得分子离散性可以忽略，并且分子运输通过扩散发生。从酶反应动力学的主方程描述和假设代谢稳态条件开始，我们推导出新的介观速率方程，该方程考虑到（i）由于细胞内室中分子的低拷贝数而引起的固有分子噪声（ii）底物运输过程的物理性质，即扩散或囊泡介导的运输。这些方程取代了传统的宏观和确定性的细胞内动力学方程。后者在无限隔室体积的限制下回收。我们发现，偏离经典动力学的预测是明显的（百分之几百的反应速度的估计）酶反应发生在车厢是小于约200 nm的情况下，基板运输到车厢主要介导的囊泡或颗粒运输和竞争性酶抑制剂的存在下。这对使用常微分方程模拟大型细胞内反应网络的常用方法以及计算竞争性抑制剂药物的有效剂量具有影响。
2009-10-23 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
Bistability, Absolute Concentration Robustness, and Hysteresis in Dual-Site Futile Cycles with Bifunctional Enzymes
California State University San Marcos（加州州立大学圣马科斯分校）；University of California Los Angeles（加州大学洛杉矶分校）；Lawrence Technological University（劳伦斯理工大学）
研究双位无用循环中双功能酶对系统动态特性的影响，揭示稳态存在性、数量及稳定性，以及双稳态和绝对浓度鲁棒性的表现。
2026-10-30 math.DS q-bio.MN
Cramer-Rao bound and absolute sensitivity in chemical reaction networks
针对化学反应网络中与基无关的绝对灵敏度构建问题，本文借助准热稳态与指数族分布的类比证明多元Cramer-Rao界，给出绝对灵敏度矩阵的线性代数表征，并在IDHKP-IDH系统中验证结论、揭示隐藏对称性。
2025-03-24 cs.IT math.IT physics.bio-ph
