代谢鲁棒性和网络模块化：一个模型研究

货币和商品代谢物：它们的识别及其与代谢网络模块性的关系

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。

模块性从动作-功能约束中涌现于海洋代谢网络：网络加权动作原理在生物尺度上的验证

Modularity Emerges from Action-Functional Constraints in Marine Metabolic Networks: A Biology-Scale Validation of the Network-Weighted Action Principle

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。

富尺度代谢网络：背景和介绍

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。

低次甲基取代基解释生物网络中的基本反应并增强模块性

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”。

复杂生物化学网络中的流：低度节点的作用

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。

评估敲除级联在代谢网络中的意义

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。

大肠杆菌代谢网络中具有调控相互作用的模块

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。

具有无标度连通性、层次模块性和离散性的进化生物网络建模

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。

基于分支过程近似的代谢网络影响度分布分析

Analysis of the impact degree distribution in metabolic networks using branching process approximation

在系统生物学中，估计代谢网络对各种故障的耐受性的理论框架对于评估生物复杂系统的鲁棒性是重要的。针对代谢网络的鲁棒性度量--影响度，提出了一种基于分支过程理论的预测代谢网络结构影响度概率分布的近似方法.我们通过在真实世界的代谢网络上进行测试来证明这种方法的相关性。虽然近似方法具有一些局限性，它可能是一个强大的工具来评估代谢的鲁棒性。

代谢网络中的活性通量分布

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。

硫代谢的基因型网络、创新和稳健性

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。

噪声鲁棒性与代谢负荷决定了中心法则调控的原理

Noise robustness and metabolic load determine the principles of central dogma regulation

本研究构建数学模型探索代谢负荷与生长鲁棒性的权衡，揭示了中心法则调控的新原理：最佳蛋白表达常过量、必需基因转录有下限、表达依赖转录与翻译的负荷平衡，这些原理决定了基因表达的全局调控。

基于分支过程近似的代谢网络对多反应敲除鲁棒性的理论估计

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.

代谢网络的解空间：乘积、鲁棒性和涨落

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。

复杂生物网络的结构和动力学研究

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。

关于保守部分在形成反应网络的鲁棒性和生产能力中的作用

On the role of conserved moieties in shaping the robustness and production capabilities of reaction networks

我们研究了一个简化的，可解的模型，一个完全连接的代谢网络与约束淬火无序模仿守恒定律的化学计量化学反应。在一个自旋玻璃类型的方法，我们表明，在存在一个保守的代谢池的通量状态对应于最大的增长是固定的独立的池的大小。此外，与无约束网络的情况不一致，最佳通量配置的体积仍然有限，这表明化学计量约束所施加的挫折，同时降低增长能力，赋予系统的鲁棒性和灵活性。这些结果有一个明确的生物学解释，并提供了一个基本的，充分的分析解释最近观察到的功能，在真正的代谢网络。

癌症信号网络的模块化组织与患者的生存能力相关

Modular organization of cancer signaling networks is associated with patient survivability

分子信号网络被认为决定了癌症的稳健性。虽然癌症患者的生存率据报道与异构连接的信号网络的启发，增加网络的鲁棒性，由于异构连接的理论研究，其他理论和数据分析研究提出了另一种解释：模块化组织的网络生物鲁棒性或适应不断变化的环境的影响。因此，在这项研究中，我们评估模块化-鲁棒性假设是否适用于癌症网络分析。我们专注于14种特定的癌症类型，其分子信号网络在数据库中可用，并表明癌症信号网络的模块化组织与患者的生存率相关。特别是，模块化信号网络较少的癌症更容易治愈。这一结果与模块化-鲁棒性假设的预测是一致的。此外，我们表明，网络模块化是一个更好的描述病人的生存率比异构连接。然而，这些结果并不矛盾的异质连接的重要性。相反，它们为细胞网络和癌症行为之间的关系提供了新的和不同的见解。尽管数据分析存在一些局限性，但这些发现增强了我们对癌细胞适应和进化机制的理解。

代谢网络交替最优和近似最优流量分布中高流量骨干的守恒性

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。

复杂模块生物网络的进化

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。

模块化最大化在实际环境中的表现

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。

代谢网络的进化原理

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。

多步贪心算法识别真实世界和计算机生成网络中的社团结构

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。

Reaction Network Analysis of Metabolic Insulin Signaling

Absolute concentration robustness (ACR) and concordance are novel concepts in the theory of robustness and stability within Chemical Reaction Network Theory. In this paper, we have extended Shinar and Feinberg's reaction network analysis approach to the insulin signaling system based on recent advances in decomposing reaction networks. We have shown that the network with 20 species, 35 complexes, and 35 reactions is concordant, implying at most one positive equilibrium in each of its stoichiometric compatibility class. We have obtained the system's finest independent decomposition consisting o…

生物化学网络中的信号检测、模块性和外在噪声与内在噪声之间的相关性

Signal detection, modularity and the correlation between extrinsic and intrinsic noise in biochemical networks

了解细胞功能需要准确描述噪音如何通过生化网络传输。我们提出了一个生化网络的输出信号的功率谱的分析结果，考虑到输入信号中的噪声（外在噪声）和构成网络的反应中的噪声（内在噪声）之间的相关性。这些相关性源于这样的事实，即检测生化信号的反应必然同时影响信号分子和网络的检测组件。我们发现，外部和内部噪声之间的反相关性增强了零阶超灵敏网络对生化噪声的鲁棒性。我们讨论了外在和内在噪声之间的相关性的后果，通过大型生化网络的背景下的丝裂原活化蛋白激酶级联噪声传输的模块化描述。

布尔网络模型的模块化控制

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。

代谢网络的功能分类

Functional classification of metabolic networks

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。

神经和代谢网络中的边缘脆弱性

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。

布尔网络鲁棒性度量的Monte Carlo方法

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。

动力学参数实验输入不完全的全局代谢网络动力学建模

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）

代谢反应空间中的基因型网络

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。

代谢无效循环及其功能：能量与控制的系统分析

Metabolic Futile Cycles and Their Functions: A Systems Analysis of Energy and Control

长期以来，人们一直假设细胞代谢中的无效循环参与了生化途径的调节。在Newsholme和Crabtree的工作之后，我们基于开放系统热力学和代谢控制分析为这个想法开发了一个定量理论。它示出的中间代谢物浓度相对于稳态通量的变化的{ \it化学计量灵敏度}是由中间形成的有效平衡常数，并且平衡可以由无效循环调节。有效平衡常数的移动方向取决于无效循环的运行方向。高化学计量灵敏度对应于中间浓度对通过通路的净流量的超灵敏度;低化学计量灵敏度对应于浓度相对于通量变化的超稳健性。这两种情况都可能在代谢调节中发挥重要作用。无效循环通过消耗能量来积极地改变有效平衡;有效平衡和敏感性的变化幅度是无效循环所使用的能量的函数。这种由无效循环控制的机制与生物合成中的动力学校正非常相似。该系统的灵敏度也与中间代谢物的浓度波动率密切相关。细胞生化调节的两个主要机制，即可逆的化学修饰，通过徒劳的周期和移动平衡的大分子结合，可能不同的角色进行了讨论。

大肠杆菌全基因组代谢网络中的致死性和合成致死性

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。

分层网络结构提高动态鲁棒性

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。

基因组缩减模型细菌代谢中结构应力的预测效应

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。

Relationship between fitness and heterogeneity in exponentially growing microbial populations

Despite major environmental and genetic differences, microbial metabolic networks are known to generate consistent physiological outcomes across vastly different organisms. This remarkable robustness suggests that, at least in bacteria, metabolic activity may be guided by universal principles. The constrained optimization of evolutionarily-motivated objective functions like the growth rate has emerged as the key theoretical assumption for the study of bacterial metabolism. While conceptually and practically useful in many situations, the idea that certain functions are optimized is hard to val…

化学反应系统的灵敏度与网络拓扑

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。

代谢物必需性阐明了大肠埃希菌代谢的耐用性

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。

双稳态、绝对浓度鲁棒性及双稳态在双位无用循环中的表现

Bistability, Absolute Concentration Robustness, and Hysteresis in Dual-Site Futile Cycles with Bifunctional Enzymes

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。

化学反应网络中的Cramer-Rao界与绝对灵敏度

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。