Detecting the Escherichia coli metabolic backbone
存在于单一通量状态内的代谢网络中的反应通量的异质性可以被利用来构建所谓的骨架作为代谢的简化版本。主链保持所有产生或消耗代谢物的显著通量，同时显示出显著减少的互连数量，因此，它成为提取主要代谢途径的有用工具。在这里，我们公开了代谢骨干大肠杆菌使用计算预测的流量，最大限度地提高在葡萄糖基本培养基中的生长速度，我们比较它的骨干肺炎支原体，一个简单得多的有机体。我们发现，在这两个骨干的中央核心主要是由古老的途径，目前仍然发挥着关键作用的能量代谢的反应。在大肠在大肠杆菌中，对主链的分析表明，核苷酸的合成和脂质的代谢形成了更小的核心，这些核心严重依赖于能量代谢;但反之亦然。与此同时，这一骨干媒体组合物的依赖性的分析导致识别对环境变化敏感的途径。因此，生物体的代谢骨架有助于同时追踪其进化和适应指纹。
2016-02-21 q-bio.MN
Induction kinetics of a conditional pH stress response system in Escherichia coli
微生物应激反应系统的分析可以揭示调控和适应的分子策略。本文重点介绍了E.大肠杆菌对酸性胁迫的反应，只有当赖氨酸可用时，它才能在低pH条件下被激活。当表达时，Cad系统通过在H+消耗下将赖氨酸转化为尸胺并输出尸胺以交换外部赖氨酸来抵消升高的H+浓度。令人惊讶的是，即使其诱导条件持续存在，cad操纵子也会显示出短暂的反应。为了定量表征的CAD模块的调节，我们已经实验记录和理论建模的重要系统变量的动态。我们建立了一个定量模型，充分描述和预测的瞬态表达行为的各种初始条件。我们对Cad系统的定量分析支持由外部尸胺作为瞬态响应的起源的负反馈。此外，该分析通过调节蛋白CadC对信号转导的精确机制提出了因果约束。
2010-09-16 q-bio.MN
Quantitative Characterization of Combinatorial Transcriptional Control of the Lactose Operon of E. coli
系统生物学的目标是用部分的知识来理解整体的行为。这在许多情况下很难实现，因为很难表征生物系统中涉及的许多成分及其复杂的相互作用网络。将E.大肠杆菌提供了一种可能性，面对转录调控的系统级特性与已知的生物化学的分子成分和它们的相互作用。这样的对抗可以揭示以前未知的成分和相互作用，并提供新的见解，了解这些成分如何作为一个整体协同工作。在这里，我们研究的组合控制的乳糖启动子的调节LacR和CRP。先前的体内研究[Setty等人，PNAS 100：7702-7（2003）]发现观察到的启动子活性与基于已知分子机制的预期行为之间存在明显的不一致。我们通过鉴定和去除几个显著调节lac启动子表达的外源因子重复了这项研究。通过定量的，系统的表征启动子活性的一些关键突变体和转录基因调控的热力学模型的指导下，我们能够占定量的组合控制的乳糖启动子，在CRP和LacR介导的DNA循环之间的合作相互作用。具体而言，我们的分析表明，诱导剂反应的灵敏度是由LacR介导的DNA环，这是显着增强CRP。
2007-03-26 q-bio.MN
A system-wide network reconstruction of gene regulation and metabolism in Escherichia coli
基因组尺度的代谢模型已经成为研究代谢原理的基本工具。然而，代谢的特征不仅在于潜在的生化反应和催化酶，而且还受到调节事件的影响。自从Covert和同事以及Shlomi和同事的开创性工作以来，人们一直在争论调节和代谢如何协同表征连贯的细胞状态。第一种方法从代谢模型开始，通过调节催化酶的编码基因来扩展代谢模型。到目前为止，生物信息学数据库原则上允许解决在系统范围内整合调节和代谢的挑战。从几个数据库收集信息，我们提供了一个网络表示的集成基因调控和代谢系统的大肠杆菌，包括主要的细胞过程，从代谢过程通过蛋白质修饰的各种监管事件。除了转录调控，我们还考虑到翻译，酶活性和反应的调节。我们的网络模型提供了新的拓扑特征的系统组件的基础上，他们在网络中的位置。我们发现，网络特征表明，表示的集成系统作为三个网络域（监管，代谢和接口网络），而不是两个。这种新的三域表示揭示了具有已知高功能相关性的组件的结构中心性。这个集成的网络可以作为一个平台，了解相干的细胞状态作为活跃的子网络，并阐明代谢和基因调控之间的交叉效应。
2018-03-13 q-bio.MN
Boolean models of the transport, synthesis, and metabolism of tryptophan in Escherichia Coli
色氨酸（trp）操纵子在E.大肠杆菌编码负责从谷氨酸合成氨基酸色氨酸的蛋白质，并且自20世纪60年代发现以来一直是研究最充分的基因网络之一。在质量作用动力学的假设下，用延迟微分方程分别对转运和代谢所需的蛋白质进行了建模。最近的工作为tna操纵子的行为提供了强有力的证据。（Orozco，2019）的作者确定了色氨酸的中等范围，其中系统具有两个稳定的稳态，他们通过实验重现了这些稳态。在本文中，我们将展示如何布尔模型可以捕捉这种双稳态。我们还将开发和分析一个布尔模型的色氨酸操纵子。最后，我们将结合这两个创建一个单一的布尔模型的运输，合成和代谢的色氨酸。在这个混合模型中，双稳态消失了，大概反映了色氨酸操纵子产生色氨酸并驱动系统趋向稳态的能力。所有这些模型都有更长的吸引子，我们称之为“同步工件”，它们在异步自动机中消失。这与最近E.大肠杆菌，我们讨论了一些开放式的问题，沿着这些路线出现。
2022-02-22 q-bio.MN
Standardized network reconstruction of E. coli metabolism
我们已经创建了大肠杆菌代谢的基因组规模的网络重建。现有的重建在注释标准方面进行了改进，以方便其随后在动态建模中的使用。由此产生的网络可从EcoliNet（http：//ecoli.sf.net/）上查阅。
2013-04-09 q-bio.MN
Universal scaling relation and criticality in metabolism and growth of Escherichia coli
本研究采用最大熵方法分析大肠杆菌代谢网络，发现不同营养环境和模型中存在普适标度关系，并证实其代谢运行在接近最大费雪信息的临界状态，在生长与适应间取得折中作为波动环境下的生存策略。
2024-01-11 cond-mat.stat-mech q-bio.MN
UV-induced mutagenesis in Escherichia coli SOS response: A quantitative model
大肠杆菌通过一系列被称为SOS反应的高度协调的事件来响应DNA损伤，SOS反应受转录因子、蛋白质-蛋白质结合和活性蛋白质降解的调节。我们提出了一个动态模型的紫外线诱导的SOS响应，纳入诱变的易错聚合酶，Pol V。在我们的模型中，诱变取决于两个关键过程的组合：损伤计数的复制叉和长期记忆与积累的UmuD '。总之，这些提供了一个严格的调控诱变结果，我们显示，在一个“数字”的打开和关闭的Pol V。我们的模型提供了一个紧凑的视图的拓扑结构和SOS网络的设计，精确定位的特定功能的作用，每个监管过程。特别地，我们认为最近观察到的SOS调节子中启动子活性的第二个峰（Friedman等人，2005，PLoS Biol.3，e238）是从Pol V到RecA细丝的正反馈的结果。
2007-01-06 cond-mat.other q-bio.MN
Global organization of metabolic fluxes in the bacterium, Escherichia coli
细胞代谢是成千上万种代谢底物通过酶催化的生化反应相互转化的过程，是研究最多的复杂的细胞间分子相互作用网络。虽然个体反应到代谢网络的拓扑组织越来越好地理解，在不同的生长条件下，它们的全局功能利用的原则提出了许多悬而未决的问题。我们实现了一个通量平衡分析的E。大肠杆菌MG 1655代谢，发现网络利用是高度不均匀的：虽然大多数代谢反应有小通量，代谢的活动是由几个反应具有非常高的通量占主导地位。E.大肠杆菌通过重组主要在该高通量主干内的选择通量的速率来响应生长条件的变化。所确定的行为可能代表了所有细胞中代谢活动的普遍特征，对代谢工程具有潜在的影响。
2004-02-28 cond-mat.dis-nn q-bio.CB q-bio.MN
Synchrony in a Boolean network model of the L-arabinose operon in Escherichia coli
大肠杆菌中的乳糖操纵子是第一个已知的基因调控网络，并且它经常被用作新建模范例的原型。从历史上看，许多这些建模框架使用微分方程。最近，Stigler和Veliz-Cuba提出了一个布尔网络模型，该模型捕捉了系统的双稳态和所有生物稳态。在本文中，我们模拟了著名的阿拉伯糖操纵子在E。一个布尔网络。这有几个复杂的功能，没有发现在乳糖操纵子，如蛋白质，既是一个激活剂和阻遏物，DNA循环机制的基因阻遏，和缺乏诱导剂排除葡萄糖。对于12个初始条件中的11个，我们使用计算代数和Sage来验证状态空间包含一个与生物学正确匹配的固定点。最终的初始条件，中等水平的阿拉伯糖和无葡萄糖，成功地预测系统的双稳态。最后，我们比较了同步更新和异步更新下的状态空间，发现前者有几个人工循环，在一般的异步更新下消失。
2016-11-08 math.AG math.DS q-bio.MN
Information content based model for the topological properties of the gene regulatory network of Escherichia coli
基因调控网络（GRN）正在研究越来越精确的定量工具，并可以提供一个试验场的想法，关于复杂的生物网络的出现和进化。我们分析了原核生物大肠杆菌的转录调控网络的全局统计特性，确定了每个操纵子与网络的一个节点。我们提出了一个空模型，这个网络使用基于内容的方法应用于真核生物酿酒酵母。（Balcan等人，代表启动子区域和结合序列的随机序列与节点相关联。从相关数据库中提取这些序列的长度分布。通过测试启动子区域内结合序列的出现来构建网络。涌现网络的集合产生指数衰减的入度分布和假定的幂律依赖的出度分布与平尾，与数据一致。聚类系数，度度相关性，丰富的俱乐部系数和k-核心可视化都同意定性与经验网络的程度尚未达到任何其他计算模型，据我们所知。这些显著的统计差异为进一步研究E. coli GRN。
2009-12-29 q-bio.MN q-bio.QM
Dispensability of Escherichia coli's latent pathways
在单细胞生物体上进行的基因敲除实验已经确定，对于最佳生长，不需要表达相当大一部分基因。这个问题获得了一个新的层面，最近发现，环境和遗传扰动的细菌大肠杆菌是由大量的潜伏代谢途径的临时激活，这表明假设，临时激活的反应影响生长，从而促进适应扰动的存在。在这里，我们测试这一假设计算和发现，令人惊讶的是，潜在途径的可用性始终没有提供增长的优势，事实上，往往会抑制遗传扰动后的增长。这被证明是真实的，即使是在交替条件下具有已知功能的潜在途径，从而将这种不利影响的意义扩展到明显的非必需基因之外。这些发现提出了潜在通路激活实际上是另一种潜在次优适应性反应的衍生物的可能性。
2011-03-27 cond-mat.dis-nn nlin.AO physics.bio-ph
Determinants of bistability in induction of the Escherichia coli lac operon
我们已经开发了一个数学模型的大肠杆菌乳糖操纵子的表达调控，并研究了在没有外部葡萄糖的情况下，其稳态诱导行为的双稳态。数值分析方程描述人工诱导剂调节揭示了两个自然的双稳态参数，可用于控制诱导剂浓度的范围内，该模型表现出双稳态。通过调整这些双稳态参数，我们发现了一系列生物药理学上合理的系统，其与实验确定的硫代甲基半乳糖苷诱导的β-区域一致（Ozbudak等人，Nature 427：737，2004）。该模型预测，双稳态可以被废除时，被动运输或通透出口变得足够大，前一种情况下是特别相关的诱导异丙基-β，D-硫代半乳糖苷。为了模拟乳糖的调节，我们开发了类似的方程，其中异乳糖是乳糖代谢中的代谢中间体，也是乳糖的天然诱导物。对于生物药理学合理的参数值，这些方程不产生双稳态响应乳糖诱导，但是，系统与非物理小渗透依赖性的出口效应可以表现出少量的双稳态参数值的有限范围。这些结果对乳糖操纵子在大肠杆菌自然环境中的双稳态的相关性提出了质疑。大肠杆菌，并有助于阐明现有的理论研究，解决这个问题之间的争议。这些结果也表明了一种实验方法来解决的相关性，乳糖操纵子中的双稳态在自然环境中的E。杆菌
2008-02-08 q-bio.CB q-bio.MN
Analysis of the hierarchical structure of the B. subtilis transcriptional regulatory network
基因表达的转录调控是由相互作用的基因组成的复杂网络所协调的。越来越多的证据表明，这些转录调控网络（TRN）在细菌中有一个固有的层次结构，虽然这种类型的组织提供的设计原则和具体的优势尚未完全阐明。在这项研究中，我们专注于TRN的革兰氏阳性细菌枯草芽孢杆菌的层次结构，并进行了比较分析与TRN的革兰氏阴性细菌大肠杆菌。使用图论方法，我们组织了B的TRN中的转录因子（TF）和sigma因子。subtilis和E.大肠杆菌分为三个层次（顶部，中间和底部），并研究了它们之间的几个结构和功能特性。除了许多相似之处，我们还发现了具体的差异，解释了其中大部分与两种生物体中σ因子在分层水平上分布的变化。然后，我们研究了目标代谢基因的转录调节因子的控制，以表征三个不同的代谢子系统（catalysts，analysts和中央能量代谢）的差异调节。这些结果表明，我们在B。枯草杆菌代表了其TRN的有效组织，以实现对不同刺激的响应的灵活性。
2014-05-15 q-bio.MN
Cost and Capacity of Signaling in the Escherichia coli Protein Reaction Network
在系统生物学中，需要新的方法来分析大量关于细胞过程调节的现有数据。最近的工作可以粗略地分为两类：一类是描述良好的子系统的动力学模型，另一类是在整个生物体尺度上对分子网络拓扑结构的粗粒度描述。为了弥合这两个不同的方法，需要开发简化的动力学和拓扑措施，解决信号在分子网络中的传播的描述。在这里，我们考虑蛋白质调控的有向网络在大肠杆菌。大肠杆菌，其特点是其模块性方面的潜力，以传输信号。我们证明，最简单的措施的基础上确定子网络的强组件，其中每个节点可以发送信号到其他节点，确实划分网络功能模块。然后，我们建议采取措施来量化与任何特定蛋白质对之间发送信号相关的成本和传播。因此，我们解决了模块内和模块之间的信号传导特异性，并表明在大肠杆菌的调节中，通过两个以上的中间反应传播的信号的成本和传播有系统的降低。
2007-11-03 cond-mat.soft q-bio.MN
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
Mean-field vs. stochastic models for transcriptional regulation
我们介绍了一个最小的模型描述的动态转录调控网络。它是在平均场近似下研究的，即，通过代表反应动力学的确定性ODE，以及通过采用Gillespie算法的随机模拟。我们阐明了这两种方法可以提供的不同结果，具体取决于所研究的网络，特别是取决于各自描述中保留的详细程度。两个例子是详细解决：repressilator，一个转录时钟的基础上实现的三个基因网络实验在大肠杆菌。大肠杆菌，和一个双基因电路在外部驱动下，转录网络模体最近提出发挥作用的细胞发育。
2008-08-20 q-bio.MN
Experimental evolution of diverse Escherichia coli metabolic mutants identifies genetic loci for convergent adaptation of growth rate
细胞生长取决于底物的可用性和细胞将底物同化成结构单元的代谢能力。决定生长速率的代谢基因可能协同或拮抗地相互作用，并且可以加速或减缓生长，这取决于遗传背景和环境条件。我们进化了一组不同的大肠杆菌单基因缺失突变体，具有一系列的生长速率，并确定了通常增加生长速率的突变。尽管亲本菌株之间存在代谢差异，但增强生长的突变主要定位于核心转录机制，包括RNA聚合酶（RNAP）的$β$和$β'$亚基以及转录延伸因子NusA。RNAP的决定增强生长的结构片段先前已经涉及抗生素抗性和转录延长和暂停的控制。我们进一步开发了一个计算框架来表征在获得这些突变后发生的转录变化如何影响菌株的生长速率。我们的实验和计算结果为RNAP突变改变活性转录和基因沉默之间的竞争平衡提供了证据。这项研究表明，RNAP特定区域的突变是一种收敛的自适应解决方案，可以提高不同代谢状态细胞的生长速度。
2018-12-13 physics.bio-ph q-bio.MN
Dynamic modeling of gene expression in prokaryotes: application to glucose-lactose diauxie in Escherichia coli
基因的共表达，或者更一般地说，表达谱的相似性，对仅基于DNA微阵列时间序列的数据推断基因调控网络（GRN）构成了不可逾越的障碍。具有相似表达谱的基因的聚类允许GRN的粗粒度视图和聚类之间的连通性的概率确定。我们提出了一个基因簇网络的时间演化模型，该模型考虑了基因产物与基因的相互作用，并通过非恒定的降解速率与其他基因产物的相互作用。通过使用多项式函数插值时间数据点，减少了模型参数的数量。以这种方式，参数估计的任务被简化为线性代数方程组，从而使计算时间缩短了几个数量级。为了消除不相关的网络，我们测试每个GRN相对于参数变化的稳定性，并对其在稳态附近的行为施加限制。我们将我们的模型和方法应用于在葡萄糖-乳糖二倍性期间收集的大肠杆菌上的DNA微阵列时间序列数据，并推断实验的不同阶段的最可能的聚类网络。
2011-06-01 q-bio.MN q-bio.QM q-bio.SC
Cell responses only partially shape cell-to-cell variations in protein abundances in Escherichia coli chemotaxis
克隆细胞群中蛋白质丰度的细胞间差异在生命系统中普遍存在。由于蛋白质组成决定了单个细胞的反应，因此这些变化本身受到选择压力的影响是理所当然的。但是这些细胞间差异的功能作用还没有得到很好的理解。解决形式和功能之间关系的一种方法是扰动形式（例如，改变蛋白质丰度）并观察某些功能的变化。在这里，我们采取的形式功能关系从相反的角度来看，而不是问什么特定的限制细胞间的蛋白质丰度的变化是由一个给定的功能表型。我们开发了一种基于最大熵（MaxEnt）的方法来提出这种类型的问题，并通过应用于大肠杆菌（E。coli）。我们发现，观察到的蛋白质丰度的细胞间变化的完全确定不是趋化性本身所固有的，但事实上似乎是由趋化性程序与其他因素联合施加的，例如，蛋白质合成机制和/或额外的非趋化性细胞功能如细胞代谢。这些结果说明了MaxEnt作为生物形式和功能之间关系的调查工具的力量。
2013-10-29 cond-mat.stat-mech q-bio.CB q-bio.MN
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
A yield-cost tradeoff governs Escherichia coli's decision between fermentation and respiration in carbon-limited growth
已知许多微生物系统响应于例如由营养应激或抗生素诱导的生长条件的变化而主动重塑其蛋白质组。这种重新分配的部分原因是，由于生长速率受到特定代谢活动的限制，细胞只是通过微调蛋白质组来做出反应，将更多的资源投入到限制性活动中（即合成更多的蛋白质）。然而，这通常伴随着代谢的全面重组，旨在通过不同途径重新布线资源来提高限制下的生长产量。虽然这两种效应都会影响蛋白质组的组成，但后者是对应激的更复杂的全身反应的基础。通过对E.大肠杆菌的“乙酸开关”，我们使用数学建模和重新分析的经验数据表明，从一个主要的发酵过渡到一个主要的呼吸代谢在碳限制生长的结果之间的权衡最大化的生长产量和最小化其成本方面所需的蛋白质组份额。特别是E.大肠杆菌的代谢表型似乎是帕累托最优的这些目标函数在广泛的稀释度。
2017-03-02 cond-mat.dis-nn physics.bio-ph q-bio.MN
The diffusive influx and carrier efflux have a strong effect on the bistability of the lac operon in Escherichia coli
大肠杆菌的乳糖操纵子在有无诱导物存在时表现出双稳态。文献中的大多数模型假设诱导剂通过载体（通透酶）进入细胞，并通过扩散样过程退出。忽略扩散流入和载流子流出。然而，数据分析表明，在非诱导细胞中，扩散流入与载体流入相当，而在诱导细胞中，载体流出是扩散流出的7倍。由于双稳态需要共存的稳态对应于非诱导和诱导细胞，这些通量都不能忽略。在这里，我们制定了一个模型占两个通量。我们发现：（a）双稳态的阈值都深刻地影响这两个通量。扩散流入通过增强诱导物在非诱导细胞中的积累来降低开启阈值。载体外排通过减少诱导细胞中诱导物的积累来增加关闭阈值。(b)用实验测得的参数值对模型进行的模拟与IPTG的数据吻合良好。然而，TMG的数据存在差异。它们最有可能是由于模型中缺少两个特征，即诱导物排除效应和特定生长速率随乳糖酶水平的变化。(c)在两种通量存在下得到的稳态和阈值很好地近似由简单的解析表达式，这可能是有用的，在合成生物学的乳糖基因开关的初步设计。
2008-02-09 q-bio.CB q-bio.MN
Identifying all irreducible conserved metabolite pools in genome-scale metabolic networks: a general method and the case of Escherichia coli
代谢网络的化学计量通常会产生一系列特定代谢物集合的聚集浓度守恒定律，这不仅限制了网络的动力学，而且还提供了对细胞生产能力的关键见解。当守恒量与一个化学部分相同时，从化学计量学中提取所有这些守恒定律相当于找到NP-难规划问题的所有整数解。在这里，我们提出了一种新的和有效的计算策略，结合蒙特卡罗，消息传递，和松弛算法来计算一个给定的化学计量矩阵的完整的一套不可约整数守恒律，也提供了一个证书的正确性和最大值的解决方案。该方法部署在不同的生长介质中的细菌大肠杆菌的代谢的两个大规模重建的完整的一套不可约的整数池的分析。此外，我们发现了一个缩放关系，链接的大小不可约池的基础上的代谢物的数量，我们提出了一个分析解释。
2013-09-10 cond-mat.dis-nn physics.bio-ph physics.chem-ph
Bistability of the lac operon during growth of Escherichia coli on lactose and lactose + glucose
大肠杆菌的乳糖操纵子具有双稳定性。早期的研究表明，在TMG/琥珀酸盐和乳糖+葡萄糖上生长期间发生双稳态，但在乳糖上生长期间不发生双稳态。最近对lacGFP转染的细胞的研究显示了与TMG/琥珀酸盐的双稳定性，但与乳糖和乳糖+葡萄糖的双稳定性不一致。在文献中，这些结果归因于诱导产生的正反馈的变化。具体地，在TMG/琥珀酸盐上生长期间，诱导产生正反馈，因为通透酶刺激TMG的积累，这反过来促进更多通透酶的合成。这种正反馈在乳糖生长过程中减弱，因为半乳糖苷酶对乳糖的水解抑制了通透酶的刺激作用。但稀释的稳定效果也会随着培养基成分的变化而发生显著变化。例如，在TMG/琥珀酸盐上生长期间，通透酶的稀释速率与其活性$e$成比例，因为比生长速率与$e$无关。然而，在乳糖上生长期间，通透酶稀释速率与$e^2$成比例，因为比生长速率与比乳糖摄取速率成比例，而比乳糖摄取速率又与$e$成比例。在这里，我们表明：（a）这种对$e^2$的依赖性产生了如此强的稳定作用，以至于在乳糖上生长期间，即使面对正反馈，双稳态也几乎是不可能的。(b)在乳糖+葡萄糖上生长期间，这种稳定作用减弱，因为葡萄糖上的比生长速率与$e$无关，因此稀释速率再次包含与$e$成比例的项。我们根据这些结果讨论了实验数据。
2007-07-09 q-bio.CB q-bio.MN
Functional architecture of Escherichia coli: new insights provided by a natural decomposition approach
背景资料：先前的研究使用了不同的方法，试图提取转录调控网络（TRN）的模块化组织。然而，这些方法并不自然，因为它们试图将高度连接的基因聚集到一个模块中，或者将已知的多效性转录因子定位在较低的层次中。在这里，我们通过将大肠杆菌的TRN分离成其关键元件来解开它，从而揭示其自然组织。我们还提出了一个数学标准，基于TRN的拓扑特征，将网络元素分为两个可能的类之一：层次或模块化基因。结果如下：我们发现，模块化的基因聚集成生理相关的组验证的功能类的富集的统计分析。分级基因编码负责基于一般感兴趣信号协调模块响应的转录因子。层次元素与先前研究的全球监管机构高度相关，这表明这可能是第一个数学方法来确定全球监管机构。我们在TRN中发现了一个以前从未描述过的新元素：模块间基因。这些结构基因在启动子水平上整合了来自不同模块的信号，因此来自不同的生理反应。利用多效性的概念，我们已经重建了网络的层次结构，并讨论了前馈图案在塑造层次骨干的TRN的作用。结论：这项研究揭示了新的设计原则的组织TRN的基础上，显示了一种新的非金字塔结构组成的独立模块的全球管理的分层转录因子，其响应集成模块间的基因。
2014-05-23 q-bio.GN q-bio.MN
A compact model of Escherichia coli core and biosynthetic metabolism
本文提出了针对大肠杆菌K-12 MG1655的手动精选中等规模代谢模型iCH360，聚焦核心能量与生物合成代谢，克服了基因组规模模型难分析的问题，并展示了其在多种分析场景中的实用潜力。
2025-04-19 q-bio.MN q-bio.QM
Prokaryotic regulatory systems biology: Common principles governing the functional architectures of Bacillus subtilis and Escherichia coli unveiled by the natural decomposition approach
大肠杆菌和枯草芽孢杆菌是两种研究得最好的原核模式生物。先前对它们的转录调控网络的分析表明，它们在进化过程中表现出高度的可塑性，并表明两者都收敛到无标度样结构。然而，除了这一建议之外，没有进行任何分析，以确定管理这些有机体的系统一级的共同组成部分和原则。在这里，我们表明，这两个遗传学上遥远的生物遵循一套共同的新的生物一致的系统的原则，揭示了数学和生物学上成立的自然分解方法。所发现的共同功能架构是一个菱形的，matryoshka样的，三层（协调，处理和整合）的层次结构，表现出反馈，这是由四个系统水平的组件：全球转录因子（全球TF），局部自治模块，基础机械和模块间基因。在B上重新评估了识别全局TF的第一个数学标准，即$κ$值。枯草芽孢杆菌，并确认其高预测能力，确定所有以前报道的，加上三个潜在的，主调节器和八西格玛因素。通过直向同源基因和非直向同源保守功能，确定了模块的功能保守核心、基底细胞机制和一组非直向同源共同生理全局响应。这项研究揭示了两种遗传学上遥远的生物体之间保持的新的共同系统原则，并提供了他们的生活方式适应的比较。我们的研究结果揭示了细菌维持生命所需的系统级原理和基本功能。
2014-05-23 q-bio.GN q-bio.MN q-bio.PE
Multiple, weak hits confuse complex systems: A transcriptional regulatory network as an example
强大的系统，如活细胞的分子网络，通常对高特异性药物引起的单次打击具有抵抗力。在这里，我们表明，部分削弱大肠杆菌和酿酒酵母转录调控网络在少数（3-5）选定的节点可以有一个更大的影响比完全消除一个单一的选定的节点。在这两种情况下，靶向节点具有最大可能的影响;结果仍然表明，在某些情况下，广泛特异性化合物或多靶点药物治疗可能比单个高亲和力，高特异性药物更有效。多个但部分的攻击很好地模拟了许多在体内的情况下，可能是有用的，在其他复杂系统的有效修改。
2005-06-11 q-bio.GN q-bio.MN
Comparative analysis of module-based versus direct methods for reverse-engineering transcriptional regulatory networks
我们利用大肠杆菌和酿酒酵母的基准表达数据和已知转录调控相互作用数据库，比较了最近开发的用于反向工程转录调控网络的基于模块的算法LeMoNe和基于互信息的直接算法CLR。使用查全率对查准率曲线的全局比较隐藏了推断网络的拓扑上的不同性质，并且没有提供关于每种方法最适合的特定子任务的信息。度分布分析和调节器特定比较表明，CLR是“以调节器为中心”的，可对更多调节器进行真实预测，而LeMoNe是“以目标为中心”的，可对更少调节器恢复更多已知目标，两种方法之间的预测相互作用重叠有限。详细的生物学例子在E. coli和革兰氏阳性菌S.并证明每种方法都能够推断出另一种方法失败的网络部分。推断网络的生物学验证警告不要过度解释使用不完整参考网络计算的召回率和精确度值。
2009-05-07 q-bio.MN q-bio.QM
Stochastic analysis of bistability in coherent mixed feedback loops combining transcriptional and post-transcriptional regulations
结合转录和转录后调节的混合反馈环在细胞调控网络中是常见的。它们由两个基因组成，编码一个转录因子和一个小的非编码RNA（sRNA），它们相互调节彼此的表达。我们提出了一个理论和数值研究这种类型的相干混合反馈回路，在这两个法规是负面的。在合适的条件下，这些反馈环预计将表现出双稳态，即两个稳定状态，一个由转录阻遏物主导，另一个由sRNA主导。我们使用基于速率方程模型的确定性方法，以确定发生双稳态的参数范围。然而，确定性模型没有考虑到量子态的有限寿命以及它们之间自发的、涨落驱动的跃迁。因此，我们使用随机方法来计算这两个状态的平均寿命。据发现，这些寿命强烈依赖于速率系数，如转录抑制因子和sRNA的转录速率。特别是，我们表明，该系统在sRNA占主导地位的状态下花费的时间的分数如下的单调递减的sigmoid函数的转录抑制因子的转录率。这些结果的生物相关性进行了讨论的背景下，这种混合的反馈回路在{ \it大肠杆菌}。
2014-12-02 physics.bio-ph q-bio.MN
Ultrasensitivity and Fluctuations in the Barkai-Leibler Model of Chemotaxis Receptors in {\it Escherichia coli}
用Barkai-Leibler模型的随机形式描述了{ \it E.大肠杆菌}的构象动力学研究，阐明内在网络噪声的影响。它最初被提出来解释{ \it E.大肠杆菌}中观察到的广泛的空间均匀的引诱剂/驱避剂（配体）浓度。受体可以是活性的，也可以是非活性的，并且可以在两种状态之间随机切换。酶CheR使非活性受体甲基化，而CheB使活性受体去甲基化，其活性的可能性取决于其甲基化和配体化的水平。每个受体具有两个甲基化位点（M=2）的模型的简单版本显示出零级超灵敏度（ZERO），类似于Goldbeter和Koshland（GK）研究的共价修饰的经典2态模型。对于非常小和大的配体浓度，该系统减少到两个2状态GK模块。在线性噪声近似（LNA）下的数学估计的活性（方差）的自发波动的定量测量发现峰值附近的Zynga过渡。方差是配体和受体浓度的弱、非单调和递减函数。Gillespie模拟M=2下得到的LNA的分析结果显示出良好的协议。M=2、3和4的数值结果表明，平均活度中的Z是零，M越大，方差越小。从现有的实验数据推导出的受体噪声的大小与我们的预测是一致的。对下游信号通路的简单分析表明，这种噪音足够大，对生物体的运动性有有益的影响。平均受体活性的响应小的时间依赖性变化的外部配体浓度，线性响应理论内计算，被发现有一个双叶的形式。
2017-03-31 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
An information-theoretic perspective on feed-forward loop abundances in transcriptional networks
Universal Biology Institute, The University of Tokyo（东京大学通用生物学研究所）；Indian Institute of Engineering Science and Technology, Shibpur（印度工程科学和技术学院，希布普尔分校）；Bose Institute（玻色研究所）
本研究提出信息论框架，通过干扰互信息（IMI）解释大肠杆菌和酿酒酵母转录网络中前馈环的丰度模式，发现IMI与丰度高度吻合，揭示了信息处理与鲁棒性的权衡关系。
2026-09-22 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.MN
Efficient Degradation and Expression Prioritization with Small RNAs
我们建立了一个简单的反馈系统模型，涉及小RNA（sRNA）分子的基础上的铁代谢系统在细菌E。coli中，并与H. pylori，它使用纯粹的转录调控。这揭示了基于sRNA的调控的几个独特特征，这些特征可以被细胞利用。首先，我们表明，sRNA调控可以保持一个较小的营业额的目标mRNA比转录调控，而不牺牲响应速度的外部冲击。其次，我们提出，一个单一的sRNA可以优先使用不同的目标mRNA。这表明sRNA调节在需要有效地共同调节许多mRNA的更复杂的系统中更常见。
2008-10-13 q-bio.MN
Stability and chaos in coupled two-dimensional maps on Gene Regulatory Network of bacterium E.Coli
复杂网络上耦合二维混沌映射的集体动力学表现出丰富多样的涌现特性，这些特性在很大程度上取决于底层网络拓扑结构。我们研究了大肠杆菌基因调控网络的有向链接与时滞相互作用的Chirikov标准映射的集体运动。研究了孤立映射在不同耦合形式和耦合强度下的强混沌行为。在较小的耦合强度，网络诱导稳定和连贯的涌现动力学。随着耦合强度的增加，出现的不稳定行为仍然局限于一个连通的子网络。对于适当的耦合，网络表现出统计鲁棒的自组织动力学弱混沌政权。
2010-07-21 cond-mat.stat-mech nlin.AO physics.bio-ph
Dynamic receptor team formation can explain the high signal transduction gain in E. coli
进化为许多生物提供了复杂的感觉系统，使它们能够对环境中的信号做出反应。这种反应经常涉及运动模式的改变，例如大肠杆菌的化学运动，它通过旋转鞭毛来游泳。当逆时针（CCW）旋转时，鞭毛合并成一个推进束，产生一个相对直的“运行”，当顺时针（CW）旋转时，它们飞开，导致一个“翻滚”，使细胞重新定向，几乎没有移位。一个随机过程产生的运行和翻滚，并在一个化学效应梯度运行进行细胞在一个有利的方向被延长。信号转导通路的整体结构在E.大肠杆菌，但重要的细节仍然不清楚。直到最近才通过实验确定了信号转导网络中的增益源，在这里，我们提出了一个基于受体团队动态组装的数学模型，可以解释这一观察结果。
2003-12-08 q-bio.MN q-bio.QM
Hierarchy and Feedback in the Evolution of the E. coli Transcription Network
大肠杆菌转录网络具有本质上的前馈结构，然而，在自我调节水平上具有丰富的反馈。在这里，我们研究这些属性是如何在进化过程中出现的。基于蛋白质结构域结构的基因复制的作用的评估表明，（i）转录自动调节主要是通过复制产生的，而（ii）预期的反馈环源于其初始的交叉调节强烈选择反对。这需要转录因子DNA结合位点及其各自的DNA顺式调节区的不同协同进化。此外，我们发现网络倾向于通过扩展现有的分层计算层来增长，而不是通过增加新的层。我们还认为，由于突变/选择新的转录因子/DNA结合相互作用的调控链接的重新布线似乎没有显着影响网络的全球层次结构，水平转移的基因主要是在底部添加，作为新的目标节点。这些研究结果突出了重要的进化作用的复制和选择性删除之间的串扰autoregulators在大肠杆菌的分层转录网络的出现。
2007-01-24 q-bio.MN q-bio.QM
Two distinct logical types of network control in gene expression profiles
在细菌等单细胞生物中，在一种环境中有益的相同获得性突变在另一种环境中可能是限制性的。然而，不断发展的大肠杆菌种群在适应方面表现出显着的灵活性。维持遗传灵活性的机制仍不清楚。在大肠在大肠杆菌中，基因表达的转录调控既涉及以高亲和力结合特定DNA位点的专用调节因子，也涉及全局调节因子-细菌类色体的丰富DNA结构蛋白结合多个低亲和力位点，从而调节DNA的超螺旋密度。第一种形式的转录调控主要是成对的和特定的，代表数字控制，而第二种形式是（在强度和分布）连续的，代表模拟控制。在这里，我们看看来自显着的基因表达变化的两种形式的控制下的有效网络的属性，并发现在一种类型的控制（例如，由突变引起的全局DNA结构因子）的限制，另一种类型可以补偿受损的调节。全球监管机构的突变显着增强数字控制;在全球DNA架构蛋白质的存在下，监管主要是模拟类型，耦合空间相邻的基因组位点;我们的数据表明，两种逻辑上不同类型的控制相互平衡。通过揭示两种不同的逻辑类型的控制，我们的方法提供了基本的见解转录调控的组织原则和缓冲遗传灵活性的机制。我们预计，区分逻辑控制类型的一般概念将适用于许多复杂的生物网络。
2007-09-20 q-bio.GN q-bio.MN
Under-dominance constrains the evolution of negative autoregulation in diploids
调控网络已经进化到允许基因表达快速跟踪环境中的变化，以及在没有变化的情况下缓冲扰动和维持细胞内稳态。在大肠杆菌中的理论工作和实验研究表明，负性自调节赋予快速的响应时间和降低的内在噪音，这反映在几乎一半的大肠杆菌转录因子是负性自调节的事实上。然而，在酿酒酵母的转录因子中，负自调节是极其罕见的。这种差异是更令人惊讶的，因为E。coli和革兰氏阳性菌S.酿酒酵母具有非常相似的网络模体序分布。在本研究中，我们首次发现果蝇和人类转录因子之间的调节相互作用具有与果蝇相似的缺乏负自调节的现象。啤酒。然后，我们提出了一个模型，证明了在物种之间使用的降噪策略的这种基本差异可以通过对二倍体中负自调节进化的限制来解释。我们发现，同一细胞内同源基因对之间的调控相互作用可导致显性不足突变，从而导致更强的自动调节，并降低纯合子中的噪声，矛盾的是，可导致杂合子中的噪声增加。这严重限制了二倍体进化负性自动调节作为降噪机制的能力。我们的工作提供了一个简单和一般的解释以前无法解释的差异，调节结构之间的E。大肠杆菌和酵母，果蝇和人类。它还表明，基因网络中的二倍体效应可能会产生违反直觉的后果，可能会深刻地影响进化的进程。
2012-12-05 q-bio.GN q-bio.MN q-bio.PE
The Energetics of Molecular Adaptation in Transcriptional Regulation
突变是进化探索蛋白质功能景观的关键机制。尽管我们有能力在实验上随意施加突变，但仍然很难将序列水平的扰动与系统水平的反应联系起来。在这里，我们提出了一个框架，集中在测量系统的自由能的变化，以连接个别突变的变构转录抑制因子的参数，管理其响应。我们发现突变的能量效应可以分为几类，它们具有作为诱导剂浓度的函数的特征曲线。我们实验测试这些诊断预测使用的特点是LacI阻遏大肠杆菌，探测几个突变的DNA结合和诱导剂结合域。我们发现，由于点突变的基因表达的变化可以通过修改描述野生型蛋白质的相应结构域的模型参数的子集来捕获。这些参数似乎是绝缘的，在DNA结合结构域中的突变只改变DNA亲和力，而在诱导剂结合结构域中的突变只改变变构参数。改变这些参数的子集以与理论预期一致的方式调整系统的自由能。最后，我们表明，诱导配置文件和由此产生的自由能与成对双突变体可以预测与定量的准确性给定的知识的单突变体，识别和定量上位相互作用提供了一种途径。
2019-05-15 q-bio.GN q-bio.MN q-bio.PE
Fundamental constraints on the abundances of chemotaxis proteins
有鞭毛的细菌，如大肠杆菌，在一个称为趋化性的过程中，在引诱剂和排斥剂的浓度梯度中进行定向运动。急诊大肠杆菌趋化性信号通路是一种信号转导的模型，但它有其独特之处。我们证明，需要快速的信号需要高丰度的蛋白质参与这一途径。我们表明，进一步限制趋化蛋白的丰度产生的要求，自组装，鞭毛电机和化学感受器阵列。所有这些限制都是特定于趋化性的，已发表的数据证实趋化性蛋白往往比其他途径中的同源物表达更高。采用一个趋化途径模型，我们表明，在响应调节剂CheY的水平上的途径的增益增加与整体趋化蛋白丰度。这可以解释为什么，至少在一个E。大肠杆菌菌株中，所有趋化蛋白的丰度在营养含量较低的培养基中较高。我们还证明了E.大肠杆菌趋化途径对马达蛋白FliM的丰度变化特别稳健。
2015-03-10 physics.bio-ph q-bio.MN
Modeling network dynamics: the lac operon, a case study
我们使用大肠杆菌中的乳糖操纵子作为原型系统来说明细胞网络动态建模的当前状态、适用性和局限性。我们整合了三个不同层次的描述-分子，细胞，和细胞群体-到一个单一的模型，这似乎捕捉到许多实验方面的系统。
2004-11-17 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.CB
Data-driven quantification of robustness and sensitivity of cell signaling networks
由细胞信号转导网络产生的反应的鲁棒性和敏感性与生物体的存活和进化性相关。然而，现有的方法分析信号网络的鲁棒性和灵敏度忽略了实验观察到的蛋白质丰度和细胞功能的细胞与细胞之间的变化或包含特设的假设。我们提出并应用了一种基于数据驱动的最大熵（MaxEnt）方法来量化大肠杆菌（E. coli）的鲁棒性和敏感性。coli）趋化性信号网络。我们的分析正确地排列顺序不同型号的E。大肠杆菌趋化性的基础上，他们的鲁棒性，并建议参数调节细胞信号转导进化选择不同的个体细胞，根据他们的能力，扰乱细胞功能。此外，从我们的方法预测蛋白质丰度的分布和性质的趋化反应在单个细胞的基础上细胞群体平均数据是在良好的协议与他们的实验同行。我们的方法是通用的，可以用来评估鲁棒性，以及在广泛的细胞信号转导系统的群体平均实验数据的基础上产生的单细胞特性的预测。
2013-10-29 q-bio.MN q-bio.QM
