Fundamental Limits on Sensing Chemical Concentrations with Linear Biochemical Networks
活细胞通常需要从嘈杂的生化信号中提取信息。我们研究细胞如何准确地测量线性信号网络的化学浓度。对于长持续时间的平稳信号，它们可以达到但不能超过Berg-Purcell极限，该极限依赖于在时间上均匀地平均输入信号中的波动。然而，对于短时间或非平稳信号，它们可以通过对输入进行非均匀时间平均来克服Berg-Purcell极限。我们推导出时间平均的最佳加权函数，并使用它来提供测量化学品浓度与线性信号网络的基本限制。
2012-10-18 q-bio.MN
Techniques of Model Reductions in Biochemical Cell Signaling Pathways
有许多生化细胞信号转导通路的数学模型，其中包含大量的元素（物种和反应）。这有时是识别关键模型元素和描述模型动态的一个大问题。因此，模型简化技术可以用作数学工具，以最小化变量和参数的数量。在这篇论文中，我们回顾了细胞信号转导通路模型降阶的一些著名方法。我们还开发了一些方法，使我们在模型简化方面向前迈出了一大步。这些技术是准稳态近似（QSSA），准平衡近似（QEA），集总的物种和熵产生分析。它们应用于具有microRNA机制的蛋白质翻译途径、化学反应网络、细胞外信号调节激酶（ERK）途径、NF κ B信号转导途径、延伸因子EFTu和EFT信号通路以及二氢叶酸还原酶（DHFR）途径。本论文的主要目的是简化复杂的细胞信号转导通路模型。这提供了一个更好的理解这种模型的动态，并给出了一个准确的近似解。结果表明，简化模型与原模型具有较好的一致性.
2021-09-14 q-bio.MN q-bio.QM
Multiplexing oscillatory biochemical signals
近年来，人们越来越认识到，生化信号不一定是恒定的时间和信号的时间动态可以是信息载体。此外，现在已经很好地建立了信号通路之间经常共享组件。在这里，我们通过数学建模表明，活细胞可以复用恒定和振荡信号：它们可以通过相同的信号通路同时传输这两种信号，并且对它们做出特异性和可靠性的反应。我们发现，信息传输减少，不仅由生化反应的内在随机性所产生的噪声，但也由不同的通道之间的串扰。然而，在生物相关条件下，每个信道可以传输超过2比特的信息，即使当两个信号同时传输时也是如此。这些观察结果表明，振荡信号是理想的多路复用信号。
2013-09-15 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
Noise Effects in Nonlinear Biochemical Signaling
随机性在生物细胞反应网络完成的信息处理中起着重要的作用。这种随机性的大多数处理都使用高斯噪声，尽管这种近似可能违反物理约束（例如化学浓度的正性）是先验的。在这里，我们表明，即使当这种非物理的波动是罕见的，高斯模型的精确解表明，该模型可以产生非物理的结果。这是在一个简单的非相干前馈模型，表现出完美的适应在确定性的限制。我们展示了如何使用这个模型中的时间尺度的自然分离产生一个近似模型，这是解析可解的，包括其对环境变化的动态响应。或者，可以采用截断过程来正则化高斯结果。
2011-09-27 cond-mat.stat-mech q-bio.MN
Trade-offs in delayed information transmission in biochemical networks
为了传递生化信号，生物调节系统消耗能量并伴随着熵的产生。此外，信号通常发生在具有挑战性的环境条件下。在一个简单的模型监管电路的输入和延迟输出，我们探讨信息传输和系统的能量效率之间的权衡。我们确定最大信息网络，给定固定的熵产生和延迟响应，探索有反馈和无反馈的情况。我们发现，反馈允许电路，以克服能量的限制和传输接近最大的可用信息，即使在无耗散的限制。负反馈回路，冲击响应的特征，是最佳的高耗散。接近平衡的正反馈回路，以其稳定性而闻名，变得更加信息化。当我们问到信号网络应该如何在最坏的环境中发挥最佳作用，而不是在最佳的环境中或在稳定状态下发挥最佳作用时，我们发现，在大耗散下，相同的通用基序在所有这些条件下都是最佳的。
2015-04-14 q-bio.MN
Multi-dimensional biochemical information processing of dynamical patterns
细胞通过受体接收信号分子，并通过感觉网络传递信息，以便根据信号的类型做出适当的反应。最近的研究表明，细胞可以从信号分子的动态浓度模式中提取多维信息。我们在此研究如何生化系统可以处理嵌入在动态模式的多维信息。我们采用线性响应函数对解码网络进行建模，并利用变分法对函数进行优化，以最大化模式和输出之间的互信息。我们发现，当噪声强度较低时，具有不同线性响应函数的解码器，即，不同的解码器，可以提取更多的信息。然而，当噪声强度较高时，不同的解码器不提供最大量的信息。这表明，在以动态模式传输信息时，当噪声强度很大时，在多模式中嵌入信息不是最佳的。此外，我们探索这些解码器的生化实现控制理论，并证明这些解码器可以通过修改级联型网络，这是普遍存在于实际的信号通路的生化实现。
2018-01-25 physics.bio-ph q-bio.MN
Membrane clustering and the role of rebinding in biochemical signaling
在许多细胞信号通路中，关键组分在细胞膜上形成簇。虽然许多工作都集中在这种集群形成背后的机制，下游信号的影响仍然知之甚少。在这里，最近的实验的动机，我们研究通过基于粒子的模拟共价修饰网络中的激活组件是集群或随机分布在膜上。我们发现，虽然集群降低了单修改网络的响应，但集群可以增强双修改网络的响应。这种减少是一种体积效应：簇在体积中向底物分子呈现较小的有效靶。另一方面，增强是局部效应：簇促进单个活性底物分子的快速重新结合和第二次活化。因此，增强依赖于短时间尺度上的频繁碰撞，这导致增强最佳的扩散系数。我们补充模拟与分析结果的平均场和首次通过分布水平。我们的研究结果强调了空间分辨模型的重要性，表明即使在空间平均量（如响应曲线）中，空间相关性的显著影响也会持续存在。
2011-10-25 q-bio.MN q-bio.SC
Fluctuation Theorems from a Continuous-Time Markov Model of Information-Thermodynamic Capacity in Biochemical Signal Cascades
Graduate School of Science, Tohoku University（东北大学研究生院理学研究科）
本文通过连续时间马尔可夫模型研究生化信号级联中的信息热力学容量，推导出波动定理并分析耗散率与信息传输的关系。
2026-01-17 q-bio.MN
The importance of crowding in signaling, genetic, and metabolic networks
现在已经确定，牢房是一个高度拥挤的环境。然而，拥挤对信号通路、基因调控网络和代谢网络的动态的影响在很大程度上仍然是未知的。拥挤可以改变分子扩散和生物分子反应的平衡。在这篇综述中，我们首先讨论扩散如何影响生化网络。转录因子的扩散可以增加基因表达中的噪声，而蛋白质在细胞内区室之间或细胞之间的扩散可以减少浓度波动。在推拉网络中，扩散会阻碍信息传递，而在多位点蛋白质修饰网络中，扩散会定性地改变系统的宏观响应，例如双稳态的丧失或出现。此外，扩散可以直接改变代谢通量。我们描述了拥挤如何影响扩散，从而所有这些现象是如何受到拥挤的影响。然而，一个潜在的更重要的影响，拥挤的生化网络介导的双分子反应的平衡的转变，我们提供了支持这一想法的计算证据。最后，我们讨论了拥挤的影响可以纳入生化网络模型。
2013-11-18 q-bio.MN q-bio.SC
Cellular signaling networks function as generalized Wiener-Kolmogorov filters to suppress noise
细胞信号传导涉及通过随机生化反应的级联来传递环境信息，不可避免地引入损害信号保真度的噪声。级联反应的每个阶段通常以激酶-磷酸酶推拉网络的形式出现，这是信号通路的基本单位，其功能障碍与许多癌症有关。我们发现这种无处不在的酶网络模体有效地表现为维纳-柯尔莫哥洛夫（WK）最优噪声滤波器。使用概念的影演算，我们推广的线性WK理论，最初介绍了在通信和控制工程的背景下，考虑到非线性信号转导和离散分子群体。这使我们能够得到严格的约束，有效地降低噪音，在这个生化系统。我们的数学形式主义产生的情况下，重要的细胞功能的过滤器性能的界限-像超敏感的刺激反应。我们强调了与优化过滤器效率相关的系统功能，编码在一个单一的，可测量的，无量纲的参数中。我们的理论，它描述了在一个大类的信号转导网络的噪声控制，也是有用的合成生化信号通路的设计，并通过实验探针，如振荡输入的路径的操作。
2014-08-19 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.MN
Positive feedback produces broad distributions in maximum activation attained within a narrow time window in stochastic biochemical reactions
在一定时间间隔内，高于阈值浓度的关键信号蛋白激活诱导的单细胞命运决定如何受到生化反应中随机波动的影响？我们解决这个问题，使用最小模型的随机化学反应中常见的细胞信号转导和基因调控系统。采用精确解和半解析方法，我们计算的最大值（$N$）的活化物种浓度（$P_{max}(N)$）和时间（$t$）达到最大值（$P_{max}(t)$）在一个时间窗口内的最小模型的分布。我们发现，正反馈相互作用的存在使$P_{max}(N)$更加分散，在$P_{max}(t)$中具有更高的“峰值”。因此，当细胞决策过程需要在时间窗内将关键蛋白的活化形式上调至阈值数量时，正反馈相互作用可以帮助单细胞对刺激敏感地响应。
2012-12-08 cond-mat.stat-mech q-bio.MN
Multiple Notch ligands in the synchronization of the segmentation clock
本文针对斑马鱼分割时钟中不同Delta配体的作用，提出Notch受体激活的两种理论模型（Delta二聚体激活与Delta单体激活），并讨论如何通过实验区分二者，揭示多配体系统实现灵活信号响应的机制。
2024-08-07 q-bio.MN
Cellular compartments cause multistability in biochemical reaction networks and allow cells to process more information
许多生物的、物理的和社会的相互作用都特别依赖于它们发生的地方。在活细胞中，细胞核和细胞质之间的蛋白质运动影响细胞反应（即，蛋白质必须存在于细胞核中以调节它们的靶基因）。在这里，我们使用动力系统和化学反应网络理论的最新发展，以确定和表征的空间组织的真核细胞在细胞信息处理的关键作用。特别是，不同隔室的存在在系统是否能够多稳态（多个响应状态）中起着关键作用，因此直接与信号分子在细胞核中可以代表的信息量有关。多稳态提供了一种机制，用于在细胞信号转导系统中的不同响应状态之间切换，并使细胞决策的多个结果成为可能。我们发现，引入物种本地化可以改变多稳态的能力，并从数学上证明，穿梭赋予的灵活性和更大的控制出现全或无的反应。
2012-10-10 q-bio.CB q-bio.MN
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
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
The energy costs of biological insulators
生物化学信号通路可以通过消耗能量（通常以ATP的形式）的酶促“无效循环”与阻抗和竞争效应绝缘。我们假设，更好的绝缘必然需要更高的能源消耗，并提供证据，通过计算分析的简化物理模型，以支持这一假设。
2012-10-16 q-bio.CB q-bio.MN
The strength of protein-protein interactions controls the information capacity and dynamical response of signaling networks
真核细胞通过相互作用蛋白质的复杂网络传递信号。在这里，我们开发了一个理论和计算的框架，涉及生物物理学的蛋白质相互作用（PPI）内的信号网络，其信息处理性能。为此，我们概括了统计物理启发的蛋白质结合模型，以解释依赖于翻译后状态（例如磷酸化）的相互作用。通过将这些模型与信息理论方法相结合，我们发现PPI是信号网络中信息传输的关键决定因素，弱相互作用会产生“噪声”，从而减少信息传输。虽然可以通过增加相互作用强度来减轻噪声，但伴随的传输增加是以较慢的动态响应为代价的。这表明信号蛋白相互作用的生物物理学产生了一个基本的“速度-信息”权衡。令人惊讶的是，我们发现复杂信号网络中通路之间的串扰并没有显著改变信息容量-这一观察结果可能部分解释了弱PPI在高度互连网络中的混杂性和普遍性。最后，我们展示了我们的框架如何可以用来设计合成的生化网络，最大限度地提高信息传输，一个程序，我们称之为“InfoMax”设计。
2018-11-23 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.MN
Augmented Sparse Reconstruction of Protein Signaling Networks
细胞内蛋白质信号和生化网络的重建和识别是当今生物学中至关重要的问题。我们试图开发一种数学方法来解决这个问题，作为一个测试案例，其中一个最充分研究和临床上重要的信号网络在生物学今天，表皮生长因子受体（EGFR）驱动的信号级联。更具体地说，我们提出了一种方法，增强稀疏重建，从一个小的轨迹集不同的初始条件的常微分方程（ODE）网络的节点之间的链接识别。我们的方法通过使用所有给定轨迹的积分的集合和通过衰减表示本身中的项块来构建表示系统。然后用随机向量扩充表示系统，并使用1-范数的最小化来找到每个节点的动态相互作用的稀疏表示。随机向量的增强是至关重要的，因为稀疏性本身无法处理表示中的大误差变量。增强稀疏重建允许考虑潜在的非常大的模型空间，并且即使在测量的轨迹中添加了适度的噪声时，也能够高精度地检测节点之间的少数相关链接。在展示了我们的方法在EGFR蛋白网络模型上的性能后，我们简要地概述了这种方法未来潜在的治疗应用。
2007-11-16 physics.data-an q-bio.MN
Spatial modeling algorithms for reactions and transport (SMART) in biological cells
本文介绍SMART软件，利用有限元分析模拟细胞信号网络，在真实几何结构中高效准确求解，适用于多种生物系统，展现其灵活性与准确性。
2024-05-24 q-bio.MN q-bio.QM
Influences of Excluded Volume of Molecules on Signaling Processes on Biomembrane
我们利用生物膜上的信号转导过程模型，研究了分子排斥体积对二维表面上生化反应过程的影响。我们进行模拟的2维细胞为基础的模型，它描述了反应和扩散的受体，信号蛋白，靶蛋白，和拥挤的细胞膜上。信号传导蛋白被受体激活，并且这些激活的信号传导蛋白激活靶蛋白，所述靶蛋白自主地从细胞质结合到膜，并且如果被激活则从膜解除结合。如果靶蛋白频繁结合，则膜上分子的体积分数变得如此之大，以至于用于反应和扩散动力学的分子的排除体积不可忽略。我们发现，这种排除体积效应的分子诱导的信号流，定义为靶蛋白的激活频率，如下非平凡的变化。随着靶蛋白结合率的增加，信号流通过以下方式变化：i）单调增加; ii）以钟形曲线增加然后减少;或iii）以S形曲线增加，减少，然后增加。我们进一步证明，排除体积的分子影响整个反应过程中的分层分子分布。特别地，当系统表现出大的信号流时，信号蛋白倾向于围绕受体以形成受体-信号蛋白簇，并且靶蛋白倾向于分布在这样的簇周围。为了解释这些现象，我们分析了受体周围分子局部运动的随机模型。
2013-01-29 nlin.CG physics.bio-ph q-bio.BM
Mapping the intramolecular signal transduction of G-protein coupled receptors
G蛋白偶联受体（GPCRs）是细胞膜上细胞外信号的主要守门人，无疑是最重要的治疗靶点之一。鉴于最近发现的变构调节，分子内信号转导的变构接线图将是非常有用的收集受体调节的机制。在这里，通过评估介数中心性（$C_B$）的每个残基，我们计算的GPCR中的信息流的地图，并确定信号转导及其途径的关键残基。与现有方法相比，我们基于$C_B$的分析检测到的A $_{2A}$腺苷受体（A $_{2A}$ AR）和牛视紫红质的变构热点与生物化学数据更好地相关.特别是，我们的分析优于其他方法在定位旋转异构的微动开关，这通常被认为是至关重要的A类GPCR中介导的正构信号。对于A $_{2A}$ AR，使用来自分子动力学模拟的平衡结构系综计算的残基间互相关图揭示了长距离跨膜通信的强信号仅存在于激动剂结合状态。在不同的GPCR亚型中发现的或由激动剂结合或变构位点处的点突变赋予的结构上的看似细微的变化可导致信号通路和蛋白质活性图谱的显著差异。GPCR的信号转导图谱为变构调节提供了有价值的见解，也为正构信号通路的可靠鉴定提供了依据。
2013-10-15 q-bio.BM q-bio.MN
Reliability of frequency- and amplitude-decoding in gene regulation
在生物化学信号中，信息通常被编码在振荡信号中。然而，这种编码策略相对于恒定信号的幅度编码方案的优点仍然不清楚。在这里，我们研究了一个简单的模型基因启动子响应振荡和恒定的转录因子信号的动力学。我们发现，在生物相关的参数制度的振荡输入可以产生一个更恒定的蛋白质水平比一个恒定的输入。我们的研究结果表明，振荡信号可以用来最大限度地减少噪音在基因调控。
2012-02-07 q-bio.MN q-bio.SC
