Algebraic Methods for Inferring Biochemical Networks: a Maximum Likelihood Approach
我们提出了一种新的方法,用于确定一个生化反应网络的基础上,在相应的反应速率方程从各种(可能不同)的实验到达多套估计的反应速率。目前的方法,不像一些在文献中提出的图形方法,使用的实验测量值仅相对于生化反应的几何形状的假设下,基本的反应网络是相同的所有的实验。所提出的方法利用代数统计方法,以参数化的一组可能的反应,以确定最有可能的网络结构,并很容易扩展到非常复杂的生化系统,涉及大量的物种和反应。该方法示出了一个假设的网络形式的“传质”型模型的数值例子。
2008-10-04 q-bio.MN q-bio.QM stat.AP
Eliminating fast reactions in stochastic simulations of biochemical networks: a bistable genetic switch
在生物化学反应网络的许多随机模拟中,需要“粗粒度”反应集,去除快速反应,同时保留正确的系统动力学。已经提出了各种粗粒化方法,但仍然不清楚哪些方法是可靠的,哪些反应可以安全地消除。我们解决这些问题的模型基因调控网络,是特别敏感的动态波动:一个双稳态遗传开关。我们删除蛋白质-DNA和/或蛋白质-蛋白质缔合-解离反应的反应集,使用各种粗粒化策略。我们确定对稳态概率分布函数和波动驱动的开关翻转过渡的速率的影响。我们发现,蛋白质相互作用可以安全地从反应集中消除,但蛋白质-DNA相互作用可能不会。我们还发现,重要的是使用化学主方程,而不是宏观速率方程来计算有效的倾向函数的粗粒度反应。
2007-11-28 q-bio.MN q-bio.QM
Parameter Identification for Markov Models of Biochemical Reactions
提出了一种生物过程马尔可夫模型中参数推断的数值方法。基于一个过程的时间序列数据,我们通过最大化数据的可能性来估计动力学速率常数。的可能性的计算依赖于马尔可夫模型的离散状态空间的动态抽象,成功地缓解了状态空间的大的问题。我们比较了我们的方法的两个变种,以国家的最先进的,最近发表的方法,并证明了他们的实用性和效率的几个案例研究从系统生物学。
2011-02-14 cs.CE q-bio.QM
Efficient simulation techniques for biochemical reaction networks
离散状态,连续时间马尔可夫模型在生物化学过程的建模中变得越来越普遍。这种模型所导致的数学公式是不透明的,并且由于其复杂性,通常被认为是难以分析的。因此,已经开发了各种蒙特卡罗模拟算法来经验性地探索模型动态。虽然众所周知的方法,如吉莱斯皮算法,可以实现调查一个给定的模型,传统的模拟技术的计算需求仍然是一个重大的障碍,现代研究。为了进一步开发和探索生物相关的随机模型,需要新的和有效的计算方法。在这篇论文中,高性能的模拟算法被开发出来估计概括统计量,概括一个选定的反应网络。该算法利用方差减少技术,利用模型动态的统计特性,以提高性能。多水平方法是方差缩减技术的一个示例。该方法通过使用不同精度的样本路径的多个集合的估计来估计混合良好的空间均质模型的汇总统计量。在这篇论文中,多层次的方法是在三个方向发展:首先,一个细致入微的实施框架进行了描述;其次,一个重新制定的方法适用于刚性反应系统;最后,不同的方法来减少方差的实施和比较。支持多层次方法的方差缩减方法,然后重新用于了解空间扩展马尔可夫模型的动态是如何影响其输入参数的变化。通过利用空间扩展模型的固有动力学,一个有效的有限差分格式被用来估计参数灵敏度鲁棒。
2017-10-30 q-bio.QM
StochDecomp - Matlab package for noise decomposition in stochastic biochemical systems
在细胞水平上,随机性是生物化学过程不可缺少的一个方面。关于噪声如何进入并在生化系统中传播的研究为我们提供了对随机性起源的重要见解,但总的来说,它们构成了不同理论分析的拼凑。在这里,我们提出了一个灵活的和普遍适用的噪声分解工具,使我们能够计算单个反应的系统的输出的总的可变性的贡献。因此,通过该软件包,可以量化噪声如何进入生化系统并在其中传播。我们还证明和验证使用JAK-STAT信号通路,它是可能的,直接从实验数据推断噪声的贡献,从个人的反应。这是第一个允许将噪声分解为单个反应所产生的贡献的计算工具。
2013-08-14 q-bio.MN q-bio.QM
A Dimension Reduction Method for Inferring Biochemical Networks
本文提出了一种扩展的代数统计方法,用于从实验数据推断生化反应网络,最近在[3]中提出。这种扩展使我们能够分析不一定是全维的反应网络,即,它们的化学计量空间的维数小于物种的数量。具体来说,我们建议增加原始的代数统计算法的网络推理与预处理步骤,确定正确的反应向量所跨越的子空间,在空间内跨越的物种。该降维步骤基于输入数据的主成分分析及其与由候选反应向量集生成的各种子空间的关系。仿真例子来说明在实现这种方法所涉及的主要思想,并评估其性能。
2009-02-25 q-bio.MN q-bio.QM
Designing Experiments to Understand the Variability in Biochemical Reaction Networks
利用由生物过程的分子噪声提供的信息已被证明在从单细胞测量中提取关于基础动力学参数和变异性来源的知识方面是有价值的。然而,先验地量化这种额外的信息,以决定单细胞实验是否可能是有益的,目前仅可能在非常简单的系统中,其中化学主方程在计算上是易处理的,或者高斯近似是适当的。在这里,我们展示了如何分布测量提供的信息可以近似的基础过程的前四个时刻。推导出的公式一般是有效的任何随机动力学模型,包括模型,包括内在和外在的噪声。这使我们能够提出一个最佳的实验设计框架,异质性细胞群体,我们采用双报告和扰动实验分离外在和内在的噪音在一个简单的模型基因表达的效用进行比较。随后,我们比较了不同的实验,已在工程光开关基因表达系统在酵母中进行的信息内容,并表明,精心选择的基因诱导模式可以让一个识别功能的系统,仍然隐藏在计划外的实验。
2013-04-04 q-bio.QM
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
Stochasticity or Noise in Biochemical Reactions
即使当细胞处于同质环境中时,跨同基因细胞群体的基因表达的异质性也可以引起表型多样性。这种多样性源于生物化学反应的离散性和随机性,而这种生物化学反应是由于单个细胞中基因、RNA或蛋白质分子的数量非常少而自然产生的。对单个生物分子的现代测量已经创造了关于这些分子波动的大量信息,但是对这些复杂的随机系统的定量理解需要精确的计算工具。在这篇文章中,我们提出了必要的现代工具来模拟生物系统中的变异性,并将模型结果与实验数据进行比较。我们回顾了化学主方程和方法来解决离散数量的生物分子的概率分布。我们讨论了如何使用基于似然的方法将概率分布拟合到单细胞数据。最后,我们提供了拟合离散随机模型的例子,以单分子荧光原位杂交数据,定量在细菌和酵母细胞群体的RNA水平。
2017-08-30 q-bio.MN q-bio.QM
Kinetic Monte Carlo Method for Rule-based Modeling of Biochemical Networks
我们提出了一种动力学蒙特卡罗方法来模拟化学反应规则所指定的化学转化,这些规则可以被看作是化学反应的生成器,或者等价地,反应类的定义。一个规则确定了参与转化的分子成分,这些成分如何变化,影响转化是否发生的条件,以及速率定律。与传统的模拟方法不同,该方法的计算成本与可能反应的数量无关,不需要事先指定或在模拟中明确生成。为了证明该方法,我们应用它来研究多价配体-受体相互作用的动力学。我们希望这种方法将有助于研究细胞信号系统和其他物理系统涉及聚集现象。
2008-08-22 q-bio.MN q-bio.QM
Stochastic simulation of biochemical systems with randomly fluctuating rate constants
在单酶反应的实验研究中,有人提出酶促反应的速率常数根据给定的分布随机波动。为了量化随机速率常数所产生的不确定性,有必要研究如何模拟这样的生化系统。要做到这一点,我们将采取Gillespie的随机模拟算法模拟化学系统的状态的演变,并研究修改的算法,将随机速率常数。除了模拟每个反应步骤的等待时间外,改进的算法还涉及模拟每个反应时间的速率常数的随机波动。我们认为修改后的算法在一个一般的框架,然后专门为两个对比的物理模型,其中一个波动发生在一个更快的时间尺度比反应步骤,和其他的波动发生得更慢。后一种情况被施加到单酶反应系统,部分使用Metropolis-Hastings算法来制定给定的分布上的随机速率常数。修改后的算法产生的仿真输出,证实了实验结果。人们希望,这种修改后的算法可以随后被用来作为一种工具,在系统中使用实验数据的参数估计或校准。
2012-02-06 q-bio.MN q-bio.QM
Quantifying Stochastic Effects in Biochemical Reaction Networks using Partitioned Leaping
“跳跃”方法显示出极大的希望,显着加速复杂的生化反应网络的随机模拟。然而,跳跃的实际应用很少出现在文献中。在这里,我们使用“分区跳跃算法”(PLA)[L.A. Harris和P.Clancy,J.Chem.Phys.125,144107(2006)],最近引入的多尺度跳跃方法。我们使用PLA研究两个模型生化反应网络中的随机效应。我们所考虑的网络足够简单,可以用我们的直觉来理解,但又足够复杂,可以普遍代表真实的生物系统。我们演示了如何解放军使我们能够量化这些系统中的随机性的微妙影响,这将是难以确定的,否则以及不那么微妙的行为,将应变常用的“精确”随机方法。我们还说明了瓶颈,可能会阻碍的方法,并讨论克服它们的可能策略。总的来说,我们的目标是通过提供跳跃方法的好处的鲜明例证,同时阐明在实践中经常遇到的障碍,来帮助和激励跳跃的未来应用。
2009-07-06 physics.chem-ph q-bio.QM q-bio.SC
Bayesian Inference for Jump-Diffusion Approximations of Biochemical Reaction Networks
本文针对生化反应网络的多尺度特性,提出基于跳-扩散近似和分块Gibbs粒子平滑的贝叶斯推断算法,通过序贯Monte Carlo状态推断与参数推断,实现对隐藏状态和参数的联合估计。
2023-04-13 q-bio.MN q-bio.QM stat.ME
A Query-Response Causal Analysis of Reaction Events in Biochemical Reaction Networks
该研究提出一种利用生化反应网络事件经验统计量识别因果关联反应子序列的查询-响应框架,通过5个基因反应网络模型的7组实验验证了其有效性,且实现了数据处理流程的近乎全自动化。
2023-06-17 q-bio.MN q-bio.QM
Stochastic Control Analysis for Biochemical Reaction Systems
在本文中,我们研究如何随机反应过程受到外部扰动。我们描述了一个扩展的确定性代谢控制分析(MCA)的随机制度。我们引入随机灵敏度的反应物浓度和反应通量的平均值和协方差值,并表明存在MCA的这些灵敏度之间的求和定理。通量方差的求和定理取决于测量时间窗口($ε$)的大小,在该窗口内,反应事件计数用于测量单个通量。的程度的$ε$的依赖性,可以成为重要的过程,涉及多时间尺度的动态,并估计通过引入一个新的措施的时间尺度分离。这种$ε$依赖性被证明是密切相关的幂律缩放在各种复杂的网络中观察到的通量波动。我们提出了一个系统的方法来控制反应物浓度的波动,同时尽量减少平均浓度水平的变化。这种正交控制是通过引入一个控制向量来获得的,该控制向量指示导致灵敏控制的参数扰动的强度和方向。我们还提出了一个可能的影响,在控制的磁通量波动:控制分布的磁通量波动的测量时间窗口的大小,$ε$的变化。当控制工程师在反应系统上应用特定的控制操作时,系统可能会根据时间窗口大小$ε$做出与预期相反的响应。
2009-08-21 q-bio.QM q-bio.SC
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
Decomposing Noise in Biochemical Signalling Systems Highlights the Role of Protein Degradation
在过去的几十年里,生物化学过程中的随机性现象一直吸引着生命科学家。我们现在知道,活细胞在某些情况下利用随机性,在另一些情况下抵消随机效应。生物分子系统中内在随机性的来源是个体反应的随机定时,其累积地驱动此类系统的输出的可变性。尽管活细胞功能的随机性的相关性是公认的,但还没有提出严格的方法来精确地识别变异性的来源。在本文中,我们提出了一种新的方法,使我们能够计算到一个系统的输出的可变性的个别反应的贡献。我们证明,一些反应有显着不同的影响比其他噪音。令人惊讶的是,在作为信号转导近似模型的开放转换系统中,输出的退化贡献了总噪声的一半。我们还证明了退化在其他相关系统中的重要性,并提出了一种退化反馈控制机制,具有有效的噪声抑制能力。我们的方法应用到一些研究充分的生化系统,如:基因表达,Michaelis-Menten酶动力学,和p53系统表明,我们的方法揭示了一个前所未有的洞察生化系统的变异性的起源。对于许多系统的分析分解是不可用的,因此,该方法已被实现为一个Matlab软件包,并可从作者的要求。
2011-06-08 q-bio.CB q-bio.QM
Push-forward method for piecewise deterministic biochemical simulations
生物化学网络可以通过一组常微分方程(ODE)在充分搅拌的反应器条件下,对于大量的分子和频繁的反应进行模拟。当一些分子种类数量较少并且改变它们的反应不频繁时,这不再是一个稳健的表示。在这种情况下,离散随机事件触发了生化网络的平滑确定性动力学的变化。分段确定性马尔可夫过程(Pests)非常适合描述这种情况。虽然PSTs模型现在在生物学中已经很好地建立,但这些模型在计算上仍然具有挑战性。以前,我们已经介绍了向前推的方法来计算概率测度是如何传播的确定性ODE流的PDMP,通过使用相应的半群的解析表达式。在本文中,我们提供了一个更一般的模拟算法,也适用于不可积系统。该方法可用于基础生物学、生物技术和生物计算中的生化模拟。这项工作是CMSB 2019会议上提出的工作的扩展版本。
2021-02-12 q-bio.MN q-bio.QM
Reconstructing biochemical cluster networks
在化学和生物学中的基本问题的动机,我们研究集群图所产生的一组初态$S\subseteq\Z^n_+$和一组转换/反应$M\subseteq\Z^n_+\times\Z^n_+$。簇是由可以通过一系列可逆转变相互转化的状态形成的。我们提供了一个解决方案的方法,从计算交换代数,允许决定是否两个给定的状态属于同一个集群,以及重建的完整的集群图。使用聚类图方法,我们提供了两个基本问题的解决方案:1)决定两个状态是否连接,例如,如果初态可以通过一系列转变为最终状态,以及2)简明地列出可以实现这一点的所有反应过程。作为一个计算的例子,我们将该框架应用于高锰酸盐/草酸反应。
2011-06-24 math.AC 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
Nonlinear Biochemical Signal Processing via Noise Propagation
由于细胞内生化反应的随机性,单细胞研究通常显示出显著的表型变异性。当分子的数量,例如,转录因子和调节酶的丰度低,生化活性的波动变得显著,并且这种“噪音”可以通过生化反应网络的调节级联传播。在这里,我们开发了一个直观的,但完全定量方法,用于分析噪声如何影响细胞表型的基础上确定系统的非线性和噪声传播。我们观察到,这种噪声可以同时提高一个行为区域的敏感性,同时降低另一个行为区域的敏感性。利用这种新现象,我们设计了三个生化信号处理模块:(a)一个基因调控网络,作为一个浓度检测器,具有增强的幅度和灵敏度。(b)一个非合作的正反馈系统,在确定性的情况下,具有分级的剂量反应,由于噪声诱导的双峰,作为一个开关。(c)用于基因调控的噪声诱导线性放大器,其不需要反馈。在目前的工作中开发的方法允许一个理解和工程师的非线性生化信号处理器的基础上波动诱导的表型。
2013-09-10 q-bio.MN q-bio.QM q-bio.SC
A variational principle for computing nonequilibrium fluxes and potentials in genome-scale biochemical networks
本文导出了一类稳态非平衡生化反应网络上的凸优化问题,其解满足能量守恒和热力学第二定律.这表明了一个新的变分原理的生化网络,可以实现在计算上易于处理的方式。我们推导出拉格朗日对偶的优化问题,并使用强大的对偶性,以证明Tellegen定理的生化模拟在最优。每一个最佳的流量是依赖于一个自由参数,我们涉及到一个基本的动力学参数时,假设质量作用动力学。
2011-09-19 q-bio.MN q-bio.QM
Stochastic analysis of biochemical reaction networks with absolute concentration robustness
最近已经表明,反应网络上的结构条件,而不是系统参数的“微调”,通常足以在广泛的一类生物相关的、确定性建模的质量作用系统上赋予“绝对浓度鲁棒性"[Shinar和Feinberg,Science,2010]。我们在这里表明,根本不同的结论,这种系统的长期行为达成,如果系统,而不是随机动力学和离散状态空间建模。具体来说,我们描述了一大类模型,表现出收敛到一个积极的鲁棒平衡的确定性设置,而相应的随机模型的轨迹必然被吸收的一组状态,驻留在边界上的状态空间,即系统经历了灭绝事件。如果灭绝的时间相对于系统的相关时间尺度来说很大,那么在不可避免的灭绝发生之前,这个过程就会出现稳定的分布。这种准平稳分布被认为是两个系统从文献中,和结果一致的绝对浓度的鲁棒性恢复表明,准平稳分布的强大的物种接近泊松分布。
2014-01-16 math.PR q-bio.MN q-bio.QM
UQSA -- An R-Package for Uncertainty Quantification and Sensitivity Analysis for Biochemical Reaction Network Models
KTH Royal Institute of Technology(皇家理工学院);ICERM(应用数学跨学科研究中心);Brown University(布朗大学);Chalmers University of Technology(查尔姆斯理工大学);AstraZeneca(阿斯利康)
针对生化反应网络模型的不确定性,开发了R包UQSA,集成MCMC采样与Vine-copulas进行不确定性量化和敏感性分析,支持多种采样算法,适用于多种反应网络。
2026-09-22 q-bio.QM q-bio.SC
Analytical Equilibrium Solutions of Biochemical Systems with Synthesis and Degradation
利用其相关的网络结构分析生化反应的定性行为已被证明在生物学的不同分支中是有用的。作为我们以前工作的扩展,我们引入了一个基于图的框架来计算具有合成和降解的生化反应网络的稳态解。我们的方法是基于一个标记有向图$G$和相关的系统的线性非齐次微分方程的一阶退化和零阶综合。我们还提出了一个定理,提供了充要条件的动力学产生一个唯一的稳定的定态。虽然动态是线性的,但可以通过将非线性编码到边缘标签中来将该框架应用于非线性系统。我们回答公开的问题,从我们以前的工作有关的非正性的元素的逆扰动拉普拉斯矩阵。此外,我们提供了一个图形理论框架的计算这样的矩阵的逆。这也完成了我们之前的框架,使其成为纯图论的。最近,我们证明了这个框架的实用性,将其应用到胰岛素分泌的数学模型,通过离子通道和葡萄糖代谢在胰腺$β$ -细胞。
2014-04-25 math.CA math.DS q-bio.MN
Coupling particle-based reaction-diffusion simulations with reservoirs mediated by reaction-diffusion PDEs
本研究开发了开放环境下基于粒子的反应扩散建模与数值方案,通过推导扩散粒子开放系统及二阶反应系统的均场,将基于粒子的反应扩散过程与反应扩散PDE一致耦合,以实现对与时间依赖且空间不均匀储层接触的开放生化系统的建模。
2020-05-29 physics.chem-ph physics.comp-ph q-bio.QM
Biochemical Oscillations in Delayed Negative Cyclic Feedback: Harmonic Balance Analysis with Applications
Department of Information Physics and Computing, The University of Tokyo(东京大学信息物理工学系)
提出基于多变量谐波平衡的理论框架,解析负循环反馈基因调控网络中振荡蛋白浓度的频率、相位和振幅,并应用于Pentilator和Hes7自抑制网络验证。
2012-12-27 cs.SY eess.SY math.OC
Quantitative modeling and simulation of biochemical processes in the human body
提出一种基于器官血管系统和 Michaelis-Menten 动力学的人体代谢全身模型,可模拟禁食对代谢物及储能的影响,在 PK/PD 药物开发与代谢紊乱研究中有潜在应用。
2023-07-30 cs.SY eess.SY math.DS