Network transformation-based analysis of biochemical systems
本文将网络翻译扩展为网络转化,在保持动力系统不变下修改网络,证明正相关依赖网络可转化为弱可逆网络,并提出NFK到CFK系统的转化算法,通过钙信号、胰岛素信号和单木质醇生物合成实例展示了该方法在生化系统分析中的优势。
2024-04-30 math.DS q-bio.MN
Conditions for duality between fluxes and concentrations in biochemical networks
生化网络的数学和计算建模通常是根据分子种类的浓度或生化反应的通量来完成的。什么时候数学建模从任何一个角度等同于另一个?数学对偶将概念、定理或数学结构以一对一的方式转换为其他概念、定理或结构。我们提出了一个新的化学计量条件,是必要和充分的单向通量和浓度之间的对偶。我们的数值实验,计算模型来自一系列的基因组规模的生化网络,表明这种通量-浓度二元性是一个普遍的性质的生化网络。我们还提供了一个组合表征,足以确保通量-浓度的二元性。也就是说,对于每两个不相交的分子种类集合,存在至少一个涉及来自两个集合中的仅一个的种类的反应复合物。当单向通量和分子种类浓度是双矢量时,这意味着相应的生化网络的行为可以完全用浓度或单向通量来描述。
2015-12-08 q-bio.MN
A method of `speed coefficients' for biochemical model reduction applied to the NF-kappaB system
生物化学网络的组成部分之间的关系和整个系统的动力学是计算生物学的一个关键焦点。然而,由于这些网络和由此产生的数学模型本质上是复杂和非线性的,因此对这种关系的理解变得具有挑战性。在许多方法中,模型降阶方法提供了一种途径来提取负责系统的关键动态特征的组件。不幸的是,这些方法通常需要直觉来应用。在这篇手稿中,我们提出了一个实用的算法,减少生化反应系统使用的快-慢渐近。该方法允许根据系统变量接近其瞬时稳态的速度对系统变量进行排序,从而选择最快的稳态近似值。我们应用这种方法来推导模型的核因子κ B网络,一个关键的调节免疫反应,表现出振荡动力学。分析两个特定的解决方案,这对应于不同的实验条件,确定了不同的组件的系统,负责各自的动态。这是一个重要的演示,如何减少方法,提供近似的一个特定的稳定状态,可以利用,以便获得更好的理解网络拓扑结构在更广泛的背景下。
2014-03-06 math.DS q-bio.MN
A feedback approach to bifurcation analysis in biochemical networks with many parameters
生化网络中的反馈回路是细胞信号通路的基础,是产生复杂行为的重要因素。其具体方面是平衡点的稳定性如何取决于模型参数。对于使用许多参数建模的生化网络,通常很难估计参数对稳定性的影响。寻找导致稳定性变化的参数是有意义的分叉分析的关键步骤。我们描述了一种方法的基础上众所周知的方法从控制理论,它可以定位参数,导致稳定性的变化。该方法考虑了生化网络中的反馈电路,并将稳定性与通过环路中断获得的控制系统联系起来。作为一个说明性的例子,该方法被应用到一个MAPK级联模型。
2007-11-16 q-bio.MN
Simulation and inference algorithms for stochastic biochemical reaction networks: from basic concepts to state-of-the-art
随机性是细胞内过程如基因调控和化学信号传导的关键特征。因此,表征生物化学系统中的随机效应对于理解生物的复杂动力学至关重要。生化反应系统的数学理想化必须能够捕捉随机现象。虽然存在强大的理论来描述这种随机模型,但由于现实模型在分析上难以处理,因此探索这些模型的计算挑战在实践中可能是一个重大负担。确定一个随机生化反应网络的预期行为和可变性需要许多概率模拟其演变。使用生化反应网络模型来帮助解释来自生物实验的时程数据是一个更大的挑战,因为用于确定观察概率的似然函数的棘手性。四十多年来,这些计算挑战一直是积极研究的主题。在这篇综述中,我们提出了一个访问的主要历史发展和国家的最先进的计算技术相关的随机生化反应网络模型的模拟和推理问题的讨论。特别重要的方法的详细算法进行了描述和补充MATLAB实现。因此,这篇评论提供了一个实用和方便的介绍,在生命科学界的随机模型的计算方法。
2019-01-30 q-bio.MN
Systematic model reduction captures the dynamics of extrinsic noise in biochemical subnetworks
我们考虑的一般问题描述的动态子网络的较大的生化反应网络,例如蛋白质相互作用网络涉及复杂的形成和解离反应。我们建议使用模型简化策略来理解网络其余部分所产生的随机性的“外在”来源。我们的方法是基于投影方法和路径积分导出的子网络动力学方程。结果提供了一个原则性的推导的不同组成部分的外在噪声,实验观察到在细胞的生化反应,超过和以上的内在噪声的随机性的生化事件在子网中。我们探索了几个中间近似系统地评估不同的外在噪声分量的相对重要性,包括初始瞬态,长时间的高原,时间相关性,乘性噪声项和非线性噪声传播。最好的近似实现一个简单的蛋白质网络和表皮生长因子受体信号网络的定量测试中的出色的准确性。
2020-07-01 q-bio.MN q-bio.QM
Hidden long evolutionary memory in a model biochemical network
我们引入了一个最小的模型,使用基于序列的突变算法的功能蛋白质相互作用网络的进化,并应用该模型来研究中性漂移的网络产生振荡动力学。从一个功能核心模块开始,即使在没有特定选择压力的情况下,随机进化漂移也会增加网络的复杂性。令人惊讶的是,我们发现了一个隐藏的顺序序列空间,产生了长期的进化记忆,这意味着强大的约束网络进化由于可访问的序列空间的拓扑结构。
2017-06-26 physics.bio-ph q-bio.MN
Dynamical Modularity in Automata Models of Biochemical Networks
本文提出一种仅基于节点因果逻辑自动提取通路模块的新算法,通过识别需要组件协同的复杂模块定义动力学模块性,并在果蝇体节极性网络等基因调控网络中验证其可解释宏观动力学与涌现计算的解耦构建块。
2023-04-17 cs.CE q-bio.MN
Spatial partitioning improves the reliability of biochemical signaling
空间异质性是生命系统的标志,即使在单个细胞的分子尺度上也是如此。一个关键的例子是通过脂质结构域形成或细胞因子诱导的畜栏的膜结合蛋白的分区。然而,这种空间异质性对生化信号传导过程的影响知之甚少。在这里,我们证明了分区提高了生物化学信号的可靠性。我们精确地解决了一个随机模型描述一个无处不在的模体在膜信号。该解决方案表明,分区通过两种效果提高了信号可靠性:它缓和了开关响应的非线性,并且它通过抑制分子之间的相关性来降低响应中的噪声。最佳分区大小产生于最小化每个分区的蛋白质数量以提高信号传导可靠性与确保每个分区足够的蛋白质以维持信号传播之间的权衡。预测的最佳分区大小同意定量与实验观察到的系统。这些结果坚持在空间模拟与明确的扩散障碍。我们的研究结果表明,分子分配不仅是细胞亚结构复杂性的结果,而且在细胞信号转导中起着重要的功能作用。
2013-02-26 q-bio.MN
Biochemical Szilard engines for memory-limited inference
通过开发和利用一个明确的分子实现的测量和反馈驱动的Szilard引擎,我们研究了从复杂的环境中提取工作的最小机器与有限的内存和决策能力。生命系统执行推理以利用其环境中的复杂结构或相关性,但这样做所涉及的物理限制和潜在的成本/效益权衡仍然不清楚。为了探讨这些问题,我们考虑一个极小模型的结构化环境-一个相关的分子序列-和探索机制的基础上扩展Szilard引擎提取存储在这些非平衡相关性的工作。我们认为系统限制在一个单一的内存位,使二进制的“选择”在每一步。我们证明,越来越复杂的环境允许越来越复杂的推理策略,以提取更多的能量比简单的替代品,并认为,这种机器的最佳设计还应考虑所需的能量储备,以确保对由于错误的波动鲁棒性。
2019-05-17 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
The thermodynamics of computational copying in biochemical systems
活细胞使用读出分子来记录受体蛋白的状态,类似于典型计算设备中的测量或复制。但这种类比严谨吗?细胞能达到最佳效率吗?如果不能,为什么?我们表明,在计算中,一个典型的生化读出网络产生的相关性;提取没有工作从这些相关性设置耗散的下限。对于一般的输入,生化网络无法达到这个界限,即使是任意缓慢的反应或弱热力学驱动。它面临着一个准确性耗散的权衡,这是定性不同的和更糟糕的比所暗示的界限,更复杂的稳态复制过程不能表现得更好。尽管如此,成本仍然接近热力学界限,除非精度非常高。此外,我们表明,生物分子反应可以用于化学燃料的外源性操作下的化学优化设备,这表明了一个实验系统,用于测试计算热力学。
2017-03-09 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.MN
A local polynomial moment approximation for compartmentalised biochemical systems
针对区室化生化系统现有矩方程方法适用范围有限、矩闭合近似难获取的问题,提出利用函数可分解结构结合多项式展开推导闭合矩动力学的系统化方法,并通过三类系统验证了其在不同动力学状态下的准确性。
2023-06-15 q-bio.MN q-bio.QM
High rates of fuel consumption are not required by insulating motifs to suppress retroactivity in biochemical circuits
当分子网络$\mathcal{U}$与下游网络$\mathcal{D}$的偶联导致信号从$\mathcal{D}$传播回$\mathcal{U}$时,出现追溯性。这种现象代表了生化电路模块化的故障,并阻碍了复杂功能网络的合理设计。考虑到信号转导架构的简单模型,我们证明了追溯性对上游系统特性的强烈依赖性,并探索了可以减轻追溯效应的消耗燃料的绝缘基序的成本和功效。我们发现,简单的绝缘图案可以抑制追溯性,在低燃料成本的耦合只有微弱的上游系统$\mathcal{U}$。然而,这种设计方法降低了信号网络对泄漏反应扰动的鲁棒性,并可能损害其响应快速变化信号的能力。
2017-11-07 physics.bio-ph q-bio.MN
Hierarchical Bond Graph Modelling of Biochemical Networks
键合图的方法来建模生化网络的扩展,允许复杂的模型从简单的组件分层建设。这是通过将更简单的组件表示为通过端口交换质量和能量的开放系统来实现的。这种方法的一个关键特征是,所得到的模型是鲁棒的热力学顺应性:热力学顺应性不依赖于参数的精确数值。此外,由于能量端口提供了定义良好的接口,因此模型可重复使用。为了从文献中找到的参数中提取键合图模型参数,开发了与自由能常数和平衡常数相关的通用和紧凑的公式。根据化学计量矩阵的基本性质,讨论了解的存在唯一性。通过建立骨骼肌糖原分解的层次键合图模型说明了该方法。
2015-10-26 q-bio.MN q-bio.QM
Biochemical network decomposition reveals absolute concentration robustness
生物化学系统的鲁棒性已成为系统生物学的核心问题之一,虽然它是出了名的难以正式捕捉其多方面的性质。正常系统功能的维持不仅取决于潜在的相关组分的化学计量,而且还取决于大量的动力学参数。对于给定的参数值,最近的研究结果旨在表征系统组分的性质,以在所得到的稳定状态下表现出相同的浓度,称为绝对浓度稳健性(ACR)。然而,现有的方法用于确定系统组件展示ACR是只适用于一类的质量作用网络,该属性可以被确认,但不丢弃。在这里,我们设计了一种新的方法,它依赖于生化网络分解成子网络,称为基本通量模式,以确定ACR在一个更广泛的类的质量作用网络,仅使用给定的化学计量。这种方法将确定ACR的问题减少到求解参数化线性方程组的问题,使其适合于更大规模的网络。我们的统一框架将有助于分析这种生物学上重要类型的鲁棒性,以及检测新的系统特性,独立于更复杂的生化网络的动力学参数。
2012-03-27 cs.DS math.AC math.CA
Dynamic Information Transfer in Stochastic Biochemical Networks
我们开发了数值和分析方法来计算嵌入到一个更大的反应网络中的两个分子组分的完整路径之间的互信息。特别是,我们专注于一个连续时间马尔可夫链形式主义,经常用来描述涉及低丰度分子物种的细胞内过程。在此之前,我们已经展示了当两个分子组分直接相互作用而没有中间分子组分存在时,如何计算这样的系统的路径互信息。在这项工作中,我们将这种方法推广到涉及任意数量的分子组件的生化网络。我们提出了一个有效的蒙特卡罗方法以及分析近似计算的路径互信息,并显示它可以被分解成一对转移熵,捕获两个网络组件之间的因果信息流。我们应用我们的方法来研究一个简单的三节点前馈网络中的信息传输,以及一个更复杂的正反馈系统,两个亚稳态模式之间的随机切换。
2022-08-08 q-bio.MN q-bio.QM
Coarse-graining stochastic biochemical networks: quasi-stationary approximation and fast simulations using a stochastic path integral technique
我们提出了一种通用的方法,分析和快速模拟刚性随机生化动力学网络,这取决于消除快速化学物种没有损失的信息介观,非泊松波动的缓慢。我们的方法,这是类似于量子力学中的玻恩-奥本海默近似,遵循从随机路径积分表示的反应事件的全计数统计(也称为累积生成函数)。在具有少量化学反应的应用中,该方法产生慢变量之间的化学通量的时刻的解析表达式。这允许生化系统的低维、可解释的表示,其可以用于具有小计算复杂度和高精度的粗粒度数值模拟方案。作为一个例子,我们考虑一个链的生化反应,推导出其粗粒度的描述,并表明,Gillespie模拟的原始刚性系统,粗粒度的模拟,和完整的分析处理是在一个协议,但粗粒度的模拟速度比Gillespie模拟三个数量级。
2008-08-29 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.MN
Model-order reduction of biochemical reaction networks
University of Groningen(格罗宁根大学);Universitair Medisch Centrum Groningen(格罗宁根大学医学中心)
提出一种基于加权拉普拉斯矩阵Kron约简的通用酶动力学化学反应网络模型降阶方法,并在酵母糖酵解模型中验证了降阶模型对关键代谢物瞬态行为的良好保持。
2012-12-11 cs.SE cs.SY eess.SY
Validity of the total quasi-steady-state approximation in stochastic biochemical reaction networks
本文综述指出,在随机生化反应网络模型降阶中应用全准稳态近似(tQSSA)会扭曲动力学,即使在确定性tQSSA严格有效时亦然,强调了使用确定性QSSA进行随机模型降阶时需谨慎以避免错误结论。
2025-03-02 math.PR q-bio.MN
A mathematical framework to study organising principles in graphical representations of biochemical processes
University of Rostock(罗斯托克大学);Christian-Albrechts-University(克里斯蒂安-阿尔布莱希特大学);Leibniz-Institute for Food Systems Biology(莱布尼茨食品系统生物研究所);Technical University of Munich(慕尼黑工业大学);Stellenbosch Institute for Advanced Study(斯泰伦博斯高等研究院)
本文提出一种基于范畴论的数学框架,用于研究生物化学过程图形表示中的组织原则,通过结构化余弦理论构建双范畴,实现生物化学反应网络的可组合性和抽象能力。
2026-01-23 math.CT q-bio.MN q-bio.QM
Characterisation of conserved and reacting moieties in chemical reaction networks
本文通过考虑原子和化学键,引入守恒基团与反应基团概念对生化网络进行分组以解决组合复杂性问题,并基于此提出化学计量矩阵的新型分解方法,揭示了其生物学意义。
2025-04-07 q-bio.MN
Unstable Cores are the source of instability in chemical reaction networks
本文证明参数丰富动力学模型中化学计量矩阵的“不稳定核”可独立导致不稳定性,从而揭示自催化之外的复杂动力学来源,并构造出非自催化却具超线性增长和振荡的网络。
2024-03-05 math.DS q-bio.MN
The accuracy of biochemical interactions is ensured by endothermic stepwise kinetics
生命系统的识别行为依赖于从细胞中发生的大量分子碰撞中选择的准确相互作用。为了确保相互作用的可靠性,结合配偶体被经典地设想为精细预适应的分子,基于它们在一步缔合中的亲和力进行进化选择。但事实上,通过困难的多步调整,可以更有效地获得不适当相互作用的反选择,其最终的高能状态被波动棘轮锁定。在立体调整过程中逐步添加分子键可以建模为主要是向后的随机行走,其第一次到达被微观不可逆转变冻结。提出了一种新的配体特异性判据,即基于排斥/掺入比。除了在相互作用的选择性中的作用外,这种通用配方还可以作为其他重要生物现象的基础,例如在低水平下常规合成超分子复合物,单稳态动力学双峰,底物浓度阈值或制备具有储存能量的快速解聚结构,如微管。
2016-09-27 q-bio.MN
Parametric Sensitivity Analysis for Biochemical Reaction Networks based on Pathwise Information Theory
随机建模和模拟提供了强大的预测方法,在复杂的生化网络的基本机制的内在理解。典型地,这样的数学模型涉及耦合跳跃随机过程的网络,其具有需要针对实验数据适当地校准的大量参数。在这个方向上,反应网络的参数灵敏度分析是一个重要的数学和计算工具,产生有关的鲁棒性和模型参数的可识别性的信息。然而,现有的灵敏度分析方法,如有限差分法的变体,可以有一个压倒性的计算成本的模型与高维参数空间。我们开发了一种灵敏度分析方法,适用于复杂的随机反应网络的大量参数。所提出的方法是基于信息论的方法,并依赖于量化的信息损失,由于时间序列分布之间的参数扰动。因此,我们需要研究路径空间,即,由所有随机轨迹组成的集合,因此所提出的方法被称为“路径”。路径敏感性分析方法是通过采用严格推导的相对熵率(RER),这是直接计算的倾向函数。该方法的一个关键方面是,定义了一个相关的路径Fisher信息矩阵,这反过来又构成了一个无梯度的方法来量化参数的敏感性。结果表明,反应网络的结构是块对角的,揭示了反应网络中隐藏的参数依赖性和敏感性。
2013-08-01 cs.IT math.IT q-bio.MN
Natural parameter conditions for singular perturbations of chemical and biochemical reaction networks
我们考虑的反应网络,承认在一定的参数范围内的奇异扰动减少。本文的重点是推导出“小参数”(简要地为小扰动参数),以衡量的准确性减少,在一种方式,是一致的,经得起计算,并允许在化学或生物化学方面的解释。我们的工作是基于当地的时间尺度估计通过比值的特征值的雅可比矩阵附近的临界流形的实部。这种方法修改了Segel和Slemrod提出的方法,并且与计算奇异扰动理论相似。虽然通过这种方法得出的参数不能提供通用的量化估计的准确性减少,他们代表了关键的第一步,实现这一目标。直接处理特征值通常是不可行的,而且充其量是麻烦的。因此,我们专注于特征多项式的系数来推导参数,并将它们与时间尺度联系起来。因此,我们得到了区别参数系统的任意尺寸,特别强调减少到1维。作为第一个应用程序,我们讨论了米氏-Menten反应机制系统在不同的设置,新的,也许是令人惊讶的结果。我们继续研究更复杂的酶催化反应机制(非竞争性,竞争性抑制和协同性)的三维,减少到一维和二维。我们得到的这些三维系统的杰出的参数是新的。事实上,到目前为止,在文献中似乎不存在小参数的严格推导。包括数值模拟,以说明所获得的参数的功效,但也表明,必须观察到某些限制。
2023-03-19 math.DS physics.chem-ph q-bio.MN
Toward Biochemical Probabilistic Computation
生物体生存和繁殖,即使他们有不确定和不完整的信息,他们的环境和不完善的模型来预测他们的行动的后果。贝叶斯模型已经被提出来面对这一挑战。事实上,贝叶斯推理是一种在只有不确定和不完整信息时进行最优推理的方法。各种感知,感觉运动和认知功能已经成功地以这种方式建模。然而,允许动物和人类表示和计算概率分布的生物机制尚不清楚。有人提出,神经元和神经元的集合体可以是寻找概率推理线索的适当尺度。相比之下,在本文中,我们提出,相互作用的人口的大分子和扩散的信使可以执行概率计算。这表明,基于细胞信号通路的概率推理是生物体的基本技能,最简单的单细胞生物体和最复杂的大脑都可以使用。
2015-11-09 cs.ET cs.NE q-bio.MN
A Characterization of Scale Invariant Responses in Enzymatic Networks
Rutgers University(罗格斯大学)
本文通过计算和数学分析,发现均匀线性化与快速输出(ULFO)性质是酶促网络实现尺度不变响应的充要条件,并提供了统一的解释框架和实验预测。
2012-02-23 cs.CE cs.SY eess.SY
Complete characterization of robust perfect adaptation in biochemical reaction networks
本文证明一般确定性化学反应网络中的RPA等价于特定拓扑子网络,并据此枚举所有独立于动力学的RPA性质、识别积分反馈控制器及推广至多输出情形。
2023-07-14 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph physics.chem-ph
Translated Chemical Reaction Networks
许多生物化学和工业应用涉及同时发生的化学反应的复杂网络。在质量作用动力学的假设下,这些化学反应网络的动力学由多项式常微分方程系统控制。这些质量作用系统的稳态已通过各种技术进行了分析,包括基本通量模式分析,代数技术(如Groebner基地),和不足的理论。在本文中,我们提出了一种新的方法来表征质量作用系统的稳态。我们的方法明确链接网络的能力,允许一个特定的类的稳态,称为复曲面稳态,拓扑性质的相关网络称为翻译的化学反应网络。这些网络与它们的源网络共享它们的反应化学计量,但允许具有不同的复杂化学计量和不同的网络拓扑。我们应用结果的例子从生物化学文献。
2013-06-11 math.DS q-bio.MN
Enforcing Thermodynamic Consistency in Parameter Optimization and Bayesian Inference of Biochemical Reaction Networks
Northwestern University(西北大学);KTH Royal Institute of Technology(皇家理工学院);Linköping University(林雪平大学)
本文针对生化反应网络参数优化与贝叶斯推理中直接施加Wegscheider条件的计算难题,提出通过惩罚违反细致平衡的参数来保证热力学一致性的方法,经简单网络与复杂信号模型验证有效。
2026-10-14 q-bio.MN q-bio.SC
Landauer in the age of synthetic biology: energy consumption and information processing in biochemical networks
合成生物学的一个中心目标是设计复杂的合成细胞电路,可以响应特定的输入执行复杂的计算和信息处理任务。我们理解和操纵细胞信息处理网络的能力的巨大进步提出了几个基本的物理问题:细胞电路的分子组件如何利用能量消耗来改善信息处理?人们能否利用热力学的思想来改进合成细胞电路和模块的设计?在这里,我们总结了最近的理论工作解决这些问题。细胞回路中的能量消耗有五个基本目的:(1)增加特异性,(2)操纵动力学,(3)减少变异性,(4)放大信号,(5)擦除记忆。我们用几个简单的例子来证明这些想法,并讨论了这些理论思想对新兴的合成生物学领域的影响。最后,我们讨论了如何可能克服这些限制使用“翻译后”合成生物学,利用可逆的蛋白质修饰。
2015-05-11 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.MN
Memory effects in biochemical networks as the natural counterpart of extrinsic noise
我们表明,在一般的情况下,生物网络,例如蛋白质相互作用网络,实际上是一个子网络嵌入在一个更大的“散装”网络,散装的存在不仅会导致外部噪声,而且记忆效应。这意味着子网络的动态不仅取决于它的当前状态,还取决于它的过去。我们使用投影技术得到明确的表达的记忆功能,编码这种记忆效应,通用蛋白质相互作用网络,涉及二元和一元反应,如复合物的形成和磷酸化,分别。值得注意的是,在低的固有拷贝数噪声的限制,这样的表达式可以获得,即使是对过去的非线性依赖。我们举例说明的方法,从周围的表皮生长因子受体(EGFR),这是相关的癌症信号的蛋白质相互作用网络。这些例子表明,包括内存项不仅是重要的概念,但也导致了更高的定量准确性,在预测的子网络动态。
2014-06-16 physics.bio-ph q-bio.MN q-bio.QM
On the relation between reactions and complexes of (bio)chemical reaction networks
生物化学系统的鲁棒性已成为系统生物学的核心问题之一,虽然它是出了名的难以正式捕捉其多方面的性质。正常系统功能的维持不仅取决于潜在的相关组分的化学计量,而且还取决于大量的动力学参数。在通量耦合分析中获得的不变通量比以及在化学反应网络理论中得到的不变复数比可以表征系统在稳态下的鲁棒特性。然而,现有的形式主义的描述这些不变量不提供充分的表征,因为他们要么只专注于通量中心或浓度为中心的观点。在这里,我们开发了一个新的数学框架,结合了这两种观点,从而克服了经典方法的局限性。我们的统一框架将有助于分析生物重要的系统属性。
2012-03-27 math.CA math.DS q-bio.MN
Simulation and inference methods for non-Markovian stochastic biochemical reaction networks
Queensland University of Technology(昆士兰科技大学)
本文提出了一种高效方法,用于模拟和推断具有延迟的非马尔可夫随机生化反应网络,通过改进的随机模拟算法和耦合方案,显著提升了计算效率和推断准确性。
2026-08-20 cs.NA math.NA q-bio.MN
A compositional account of motifs, mechanisms, and dynamics in biochemical regulatory networks
本文用范畴论形式化生化调控网络,通过带符号图和函子建立反应网络与 Lotka-Volterra 动力系统之间的函子映射,并扩展到开放系统以支持复杂网络的组合构建。
2024-05-05 math.CT q-bio.MN
SBML2Modelica: integrating biochemical models within open-standard simulation ecosystems
动机:SBML是定义生物化学模型的最广泛的语言。虽然有几十个SBML模拟器可用,但在开放标准的通用模拟生态系统中,普遍缺乏对SBML模型集成的支持。这阻碍了SBML模型在更大的模型网络中的协同仿真和集成,以便例如能够针对虚拟生理人体模型进行药物、药理学协议或工程人工制品(例如生物医学设备)的计算机临床试验。Modelica是现有最流行的开放标准通用仿真语言之一,受到许多仿真器的支持。Modelica模型特别适合定义几乎所有应用领域的异构模型的复杂网络。用Modelica(以及100多种其他语言)编写的模型可以很容易地导出到黑盒功能模型单元(FMU)中,并在开放标准的独立于语言的仿真生态系统中无缝地协同仿真和集成到更大的模型网络中。结果如下:为了使SBML模型集成在异构模型网络,我们提出SBML2Modelica,一个软件系统转换SBML模型到结构良好,用户可理解的,易于修改的Modelica模型。SBML2Modelica符合SBML Level 3 Version 2标准,并在SBML Test Suite Core上成功实现了96.47%的成功率(少数罕见、复杂且容易避免的结构组合不受支持,并清晰地向用户发出信号)。我们对BioModels数据库中的613个模型(最多5438个变量)进行的实验表明,主要的开源(通用)Modelica和FMU模拟器的性能可与最先进的专业SBML模…
2021-06-01 cs.CE q-bio.MN q-bio.QM
Dramatic reduction of dimensionality in large biochemical networks due to strong pair correlations
涉及细胞信号转导和基因调控的高通量数据集的大的多维性使得难以提取涉及各种生化化合物(例如,蛋白质、脂质)。数据驱动的模型通常通过使用蛋白质表达水平的配对相关性来产生少量(<10)的主成分来规避这一困难,每个主成分是浓度的线性组合,以成功地模拟细胞如何响应不同的刺激。然而,尚不清楚这种减少是否特异于特定的生物系统或这些实验中使用的刺激的性质。我们研究了由不同分子物种之间的协方差矩阵描述的对相关性的时间变化,这些分子物种在大型生物相关反应网络中遵循确定性质量作用动力学演化,并表明这种维数的急剧减少(从几百到<5)是由不同物种之间在任何时刻的强相关性引起的,并且对非线性相互作用的形式敏感,网络结构和速率常数和浓度的值在很宽的范围内。我们涉及的协方差矩阵的特征值谱的时间变化的低维,局部变化的轨迹嵌入在更大的尺寸使用初等微分几何的方向。我们说明了如何提取生物相关的见解,如确定重要的时间尺度和相关的化学物种组从我们的分析。我们的工作第一次为成功的实验分析提供了理论基础,并指出了从大规模高通量数据集中提取机制的方法。
2012-01-24 cond-mat.stat-mech q-bio.MN q-bio.QM
Detailed Balanced Chemical Reaction Networks as Generalized Boltzmann Machines
California Institute of Technology(加州理工学院);Imperial College London(帝国理工学院)
一个微米大小的相互作用的分子袋能理解并适应不断波动的环境吗?细胞生命提供了一个肯定的存在证据,但允许生命存在的原则还远未得到证明。工程和理解生化计算的一个挑战是由于化学波动引起的固有噪声。在本文中,我们从机器学习理论、化学反应网络理论和统计物理学中汲取了一些见解,以表明广泛的和生物相关的详细平衡化学反应网络能够表示和调节复杂的分布。这些结果说明了生物化学计算机如何使用固有的化学噪声来执行复杂的计算。此外,我们使用我们明确的物理模型推导出热力学成本的推理。
2022-05-12 cond-mat.stat-mech cs.LG q-bio.MN
Fundamental costs in the production and destruction of persistent polymer copies
活细胞使用读出分子来记录受体蛋白的状态,类似于典型计算设备中的测量或复制。但这种类比严谨吗?细胞能达到最佳效率吗?如果不能,为什么?我们表明,在计算中,一个典型的生化读出网络产生的相关性;提取没有工作从这些相关性设置耗散的下限。对于一般的输入,生化网络无法达到这个界限,即使是任意缓慢的反应或弱热力学驱动。它面临着一个准确性耗散的权衡,这是定性不同的和更糟糕的比所暗示的界限,更复杂的稳态复制过程不能表现得更好。尽管如此,成本仍然接近热力学界限,除非精度非常高。此外,我们表明,生物分子反应可以用于化学燃料的外源性操作下的化学优化设备,这表明了一个实验系统,用于测试计算热力学。
2017-03-11 cond-mat.stat-mech q-bio.MN
Theoretical and computational tools to model multistable gene regulatory networks
本综述系统梳理了多稳态基因调控网络建模的理论与计算方法,提供典型系统模型教程与文献实例,并对比了生化网络与经典非平衡物理系统的异同。
2023-06-26 q-bio.MN
A Theory of Decomposition of Complex Chemical Networks using the Hill Functions
从头设计和合成复杂和大型的模拟生物化学网络是合成生物学中尚未解决的问题。为了解决这个问题,而不诉诸特设的计算和实验,需要一个预测的数学理论,以减少这些复杂的化学网络到自然的物理化学表达式。在这里,我们提供了一个理论,提供了一个大型化学网络,几乎任意的非线性和复杂的物理化学表达式。出乎意料的是,该理论表明,这样的网络可以分解为仅基于希尔方程(一个简单的化学逻辑门)的反应。该理论类似于在计算机中实现的电逻辑门或功能算法,被提出用于将功能化学反应的调节序列(例如模拟基因、转录调节、信号转导、蛋白质相互作用和代谢网络)实现为人工设计的化学网络。
2015-01-20 physics.bio-ph q-bio.MN
CANA: A python package for quantifying control and canalization in Boolean Networks
School of Informatics, Computing, and Engineering Indiana University(印第安纳大学信息学、计算与工程学院);CAPES Foundation, Ministry of Education of Brazil(巴西教育部CAPAS基金会);Center for Complex Networks Research, Northeastern University(东北大学复杂网络研究中心)
本文介绍CANA包,用于量化布尔网络中的控制与通道化,通过提取和可视化通道化冗余,简化模型分析。
2018-05-09 cs.CE cs.DM cs.OH
Product-form Poisson-like distributions and complex balanced reaction systems
随机反应网络是生化反应系统的动力学模型,在$\mathbb{N}^n$上形成一类特殊的连续时间马尔可夫链。在这里,我们提供了一个基本的特征,连接网络的结构属性,其动态功能。具体来说,我们定义的概念“随机复杂的平衡系统”的网络的平稳分布,并提供了一个表征随机复杂的平衡系统,平行于70- 80年代确定性反应网络。此外,我们建立了一个网络是随机复平衡的当且仅当一个相关的确定性网络是复平衡的(在确定性意义上),从而证明了随机和确定性网络理论之间的强联系。此外,我们证明了一个随机版本的“零缺陷定理”,并表明任何(不仅复杂的平衡)缺陷零反应网络有一个产品形式的泊松平稳分布的所有不可约组件。最后,我们给出了单个(或全部)分量的乘积型Poisson分布暗示网络是复平衡的充分条件,并探讨了用乘积型Poisson平稳分布描述复平衡系统的可能性.
2015-12-02 math.DS math.PR q-bio.MN
Decomposition of Complex Reaction Networks into Reactons
复杂反应网络的分析在多个化学和生物化学领域(星际化学、生命前化学、反应机理等)中具有重要意义。在这篇文章中,我们建议同时完善和扩展一般的化学反应系统的形式主义最初介绍的代谢网络的描述。通过计算右零空间的经典方法导致网络分解成与所有代谢物有关的复杂反应“循环”。我们展示了如何从左零空间计算出发,通量分析可以解耦成线性通量和单回路,允许更精细的定性分析作为这些局部通量之间的对抗和连接的函数。这种分析是通过将分子分解成称为“反应子”的基本亚单元,以及随后将整个网络分解成简单的一阶一元部分反应来实现的,所述一阶一元部分反应与反应子从一个分子到另一个分子的简单转移有关。本文解释并证明了算法步骤,导致总的反应网络分解成其基本的组成部分。
2008-03-10 q-bio.MN
Flux-based classification of reactions reveals a functional bow-tie organization of complex metabolic networks
解开复杂生物网络的结构并将其与其功能作用联系起来是系统生物学的一项重要任务。在这里,我们试图描述三种微生物的大规模代谢网络的功能组织。我们应用通量平衡分析来研究这些生物在不同环境中的最佳生长状态。通过研究不同环境下不同通量模式下反应的差异使用,我们观察到反应活性的显著双峰分布。受此启发,我们提出了一个简单的算法分解的代谢网络分为三个子网络。事实证明,我们的反应分类器,这是盲目的生化作用的途径,导致三个功能相关的子网络,对应于输入,输出和中间部分的代谢网络具有不同的结构特征。我们的分解方法揭示了代谢网络的功能蝴蝶结组织,这与不包含功能的图论方法确定的蝴蝶结结构不同。
2012-12-09 q-bio.MN
Approximate Constrained Lumping of Chemical Reaction Networks
本文提出近似约束集总方法,在给定容差ε内放宽精确性要求并保持多项式时间运行,能够在更粗粒度聚合下准确捕捉生化系统动力学。
2024-11-21 cs.CE q-bio.MN q-bio.QM
The interplay of intrinsic and extrinsic bounded noises in genetic networks
在被认为是一种讨厌的东西被过滤掉之后,最近人们清楚地看到,生化噪音在遗传网络中起着复杂的作用,通常是完全功能性的。在过去的十年中,遗传网络的内在和外在噪声的影响进行了深入的研究,虽然贡献的同时存在的两个稀疏。外部噪声通常被建模为一个无界的白色或有色高斯随机过程,即使现实的随机扰动是明确有界的。本文考虑非线性网络的Gillespie型随机模型,即内禀噪声,其中模型的跳跃率受到由一个适当的生化状态依赖的Langevin系统合成的有色有界外禀噪声的影响.这些系统描述的主方程,并推导出仿真算法来分析它们。这种新的建模范式应该扩大适合建模的系统类别。我们研究了振幅和自相关时间的外在正弦-维纳噪声的影响:$(i)$的Michaelis-Menten近似的嘈杂的酶反应,我们表明,也适用于在共同存在的内在和外在的噪声,$(ii)$模型的酶无效循环和$(iii)$的遗传切换开关。在$(ii)$和$(iii)$,我们表明,存在一个有界的外来噪音诱导定性修改所涉及的化学物质的概率密度,新的模式出现,从而表明可能的功能作用有界噪音。
2012-06-06 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.MN