A scalable algorithm to explore the Gibbs energy landscape of genome-scale metabolic networks
将各种类型的基因组数据整合到生物网络的预测模型中是计算生物学目前面临的主要挑战之一。基于约束的模型，特别是发挥关键作用，试图在基因组规模获得定量的细胞代谢的理解。从本质上讲，他们的目标是基于最小假设来构建生物体的代谢能力，这些假设通过合适的化学计量约束来描述底层反应网络的稳态，特别是质量平衡和能量平衡（即热力学可行性）。然而，这些要求的实现以产生反应通量的可行配置和/或测试给定通量分布的热力学可行性可以证明是计算密集型的。我们在这里提出了一个快速和可扩展的基于化学计量的方法来探索吉布斯能量景观的生化网络在稳态。该方法适用于重建吉布斯能量景观的问题，在人类红细胞的代谢活动，并确定和删除在大肠杆菌代谢网络（iAF 1260）的不可行的反应循环。在前一种情况下，我们产生一致的细胞内代谢物的化学势（或对数浓度）的预测;在后者中，我们确定了一组有限的循环（共23个）在周质和细胞质核心的起源热力学不可行性在一个大样本（$10^6$）的通量配置随机产生的和兼容的反应可逆性与现有的信息。
2012-06-22 cond-mat.dis-nn physics.bio-ph q-bio.MN
Thermodynamic free energy map for the non-oxidative glycolysis pathways
本研究基于负吉布斯自由能差原则系统探索非氧化糖酵解网络，枚举并分类了替代途径，发现了多条热力学有利的新路径及具研究潜力的分子。
2025-06-24 cs.SY eess.SY q-bio.BM
A Topology-Based Machine Learning Model Decisively Outperforms Flux Balance Analysis in Predicting Metabolic Gene Essentiality
本文提出基于代谢网络拓扑特征的 RandomForestClassifier，用于预测大肠杆菌核心网络的基因必需性，并证明其显著优于传统 FBA。
2025-07-27 q-bio.MN
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。
2010-12-04 q-bio.MN
The free lunch of a scale-free metabolism
在这项工作中，它表明，从现实的大规模模型推断的代谢通量分布中的无标度尾可以简单地是一个人工制品，由于参与的反应在philically不可行的周期，是无界的物理约束，并能够执行工作，而不消耗自由能。在校正热力学之后，代谢空间与物理限制因素进行有意义的缩放，从而获得更丰富的多峰结构，这可能导致对称性破缺，同时优化目标函数。
2017-03-02 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.MN
Removing both Internal and Unrealistic Energy-Generating Cycles in Flux Balance Analysis
基于约束的化学计量模型在代谢研究中是普遍存在的，其中通量平衡分析（FBA）是描述稳态生长的细胞的代谢表型的最广泛使用的方法。在多年来发表的基于约束的建模方法的许多变体中，只有少数集中在热力学问题上，特别是消除非物理和非生理循环通量。在这项工作中，我们重新审视其中两种方法，即热力学FBA和无环FBA，并分析每一种方法的优点和缺点。最后，我们提出了一个妥协表示半热力学FBA（ST-FBA）的流量多面体施加更强的热力学约束相比，无环FBA，而不需要一个大的热力学参数的情况下，热力学FBA。我们表明，圣FBA是一个有用的和简单的方法来消除不可行的周期，产生ATP。
2018-03-13 q-bio.MN
Metabolic Network Modelling: Including Stochastic Effects
从系统生物学的角度出发，提出了用势函数、横截矩阵、退化矩阵和随机力四个动力学结构元素来模拟代谢网络的动力学行为。这四个元素是平衡的，以确定网络的动态，这引起了一个特殊的随机微分方程的补充之间的关系的随机力和退化矩阵。重要的网络行为可以从势函数中获得，而无需显式求解时间相关解。这种势函数的存在表明了一个全局优化原理，而随机力的存在自然地对应于代谢网络的层次结构。我们通过讨论它与其他大规模生物化学系统方法的联系，如网络热力学理论，生物化学系统理论，代谢控制分析和通量平衡分析，为我们的建议提供了理论依据。实验数据显示随机性也指出。
2005-04-02 q-bio.MN q-bio.SC
Accelerating flux balance calculations in genome-scale metabolic models by localizing the application of loopless constraints
背景资料：基因组尺度的代谢网络模型和基于约束的建模技术已成为分析细胞代谢的重要工具。热力学不可行循环（TIC）导致的代谢通量范围不受限制是经常遇到的问题。TIC满足质量平衡和方向性约束，但违反热力学第二定律。目前的做法涉及实施额外的约束，以确保不仅是最佳的，但也无环通量分布。然而，需要解决的混合整数线性规划问题在计算上变得难以处理的基因组规模的代谢模型。结果：我们的目的是确定所需的最少的约束条件下，无循环的要求，足以达到最优。我们发现，只有共享基本通量模式代表TIC与反应的目标函数的一部分的反应，需要无环约束。我们提出了本地化的无环约束（LLC）的概念，以执行这一最小的无环约束的要求。通过结合最小零空间计算的新程序，与原始无环约束相比，无环通量变化分析的计算时间减少了10-150倍，与目前最快的方法Fast-SNP相比减少了4-20倍，并且百分比改进随着模型大小而增加。重要的是，LLC提供了一种可扩展的策略，用于以前不可行的非常大尺寸（例如>104个反应）的多室/多生物体模型的无环通量计算。Matlab函数可在https://github.com/maranasgroup/lll-FVA上获得。
2017-11-11 q-bio.MN
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。
2024-08-15 physics.bio-ph q-bio.MN
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”。
2005-10-21 q-bio.MN
Identifying essential genes in E. coli from a metabolic optimization principle
从化学计量学和基本生化网络的拓扑结构来理解细胞代谢中反应通量的组织是系统生物学的中心问题。在这项任务中，重要的是设计合理的近似方案，只依赖于化学计量数据，因为全尺度动力学方法是计算负担得起的，只有小网络（例如红细胞，约50个反应）。通常采用的方法是基于找到满足代谢物质量平衡条件的固定通量配置，通常将它们与局部优化规则（例如生物质产量的最大化）耦合，以将解空间的大小减小到单个点。这些方法已被广泛应用，并已证明能够在特定条件下重现相对简单的生物体的实验结果。在这里，我们定义和研究一个基于约束的细胞代谢模型，其中既不假设质量平衡，也不假设通量平稳性，并且相关的通量配置优化了系统的全局增长。在E.大肠杆菌，稳定的通量状态恢复的解决方案，虽然质量平衡的条件被违反了一些代谢物，这意味着后者的非零净生产。这样的解决方案进一步证明提供了正确的统计流量的细菌E。大肠杆菌在不同的环境中，并比较以及与现有的实验证据的个人通量。保守代谢池在确定生长速率和通量变异性方面起着关键作用。最后，我们能够连接现象学基因的本质与'冻结'通量（即通量与较小的允许变异）在E。大肠杆菌代谢
2009-02-06 cond-mat.dis-nn cond-mat.stat-mech q-bio.MN
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。
2010-02-02 cond-mat.dis-nn q-bio.MN
Why Optimal States Recruit Fewer Reactions in Metabolic Networks
一个活细胞的代谢网络涉及几百或几千个相互联系的生化反应。先前的研究表明，在现实条件下，这些反应中只有一小部分在任何给定的细胞中同时活跃。这部分取决于养分的可利用性，但也强烈依赖于代谢功能和网络结构。在这里，我们建立严格的界限表明，活跃的反应的分数是较小的（而不是较大的）在代谢网络进化或工程优化特定的代谢任务，我们表明，这在很大程度上是由网络中的化学不可逆反应的存在下确定的。我们还表明，由不可逆性确定的一定数量的反应的失活可以产生通过网络传播的二级反应失活的级联。数学结果补充与大肠杆菌和人类细胞的代谢网络的数值模拟，这表明，违反直觉，即使在网络中的总反应通量的最大化，导致活性反应的数量减少。
2012-06-04 cond-mat.dis-nn nlin.AO q-bio.MN
Bow-tie topological features of metabolic networks and the functional significance
探索基于基因组的大规模代谢网络的结构拓扑对于研究结构与功能之间可能的关系至关重要。可视化将有助于获得有关结构组织的即时信息。在这项工作中，代谢网络的75个生物体进行了研究，从拓扑的角度来看。提出了一种扩展的蝴蝶结模型，以清晰地显示代谢网络的蝴蝶结结构。揭示的拓扑模式有助于设计更有效的算法，特别是代谢网络。这个粗粒度的图还可视化了网络中的脆弱连接，因此可能对疾病研究和药物靶点识别具有重要意义。此外，通过对蝴蝶结结构中GSC部分的相互联系和主核的分析，还发现代谢网络的蝴蝶结结构具有与随机网络显著不同的内在显著特征。
2006-11-04 q-bio.MN
The Activity Reaction Core and Plasticity of Metabolic Networks
了解系统水平的适应性变化发生在一个有机体在响应环境的变化是当代生物学的一个关键问题。目前的建模方法，如基于约束的通量平衡分析（FBA）已被证明是非常成功的分析细胞代谢的能力，包括其能力，预测删除表型，代谢反应的相对通量值的计算能力和交替的最佳生长状态的属性。在这里，我们使用FBA来彻底评估大肠杆菌，幽门螺杆菌和酿酒酵母在30，000个不同的模拟环境中的代谢活性。我们确定了一组代谢反应，形成一个连接的代谢核心，在所有的生长条件下进行非零通量，其通量变化是高度相关的。此外，我们发现，催化核心反应的酶比催化非核心反应的酶表现出相当高的表型必要性和进化保守性。细胞代谢的特点是围绕一个进化保守的始终活跃的代谢核心组织了大量的物种特异性条件活性反应。最后，我们发现目前大多数干扰细菌代谢的抗生素都靶向核心酶，这表明我们的研究结果可能对抗菌药物靶点发现具有重要意义。
2006-01-24 cond-mat.dis-nn q-bio.CB q-bio.MN
Thermodynamic Constraints Drive Hierarchical Preemption in Cellular Decision-Making: A Hybrid Petri Net Framework with Application to Bacillus subtilis Sporulation
Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC)（圣卡塔琳娜联邦大学）
该研究通过混合Petri网框架揭示热力学约束如何驱动芽孢杆菌孢子形成中的能量高效决策。
2026-01-07 q-bio.CB q-bio.GN q-bio.MN
Hierarchical modularity of nested bow-ties in metabolic networks
探索基于基因组的大规模代谢网络的结构拓扑和组织原理对于研究代谢网络的结构和功能之间的可能关系至关重要。图模型的拓扑分析常被用来研究复杂代谢网络的结构特征，本文从拓扑学的角度研究了75种生物的代谢网络。对大肠杆菌（Escherichia coli）、嗜热厌氧酵母（Aeropyrum pernix）和酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）的网络分解表明，几乎所有的子网络都呈现出与全局代谢网络相似的高度模块化的蝴蝶结拓扑结构.此外，这些小蝴蝶结分层嵌套到较大的蝴蝶结中，并共同整合到一个大的代谢网络中，并且在随机洗牌网络中没有观察到这种模块化的重要特征。此外，这种蝴蝶结模式似乎存在于某些化学上分离的功能模块和空间上分离的模块中，分别包括碳水化合物代谢、胞质溶胶和胞内子。高度模块化的蝴蝶结模式存在于代谢网络的不同层次和尺度，以及不同的化学和空间模块中，这可能是进化过程的结果，而不是随机事件。对这种模式的识别和分析有助于理解代谢网络的设计原理，并促进其建模。
2006-08-31 q-bio.MN
PyNetMet: Python tools for efficient work with networks and metabolic models
背景：基因组尺度的代谢模型及其网络的研究是系统生物学的重要领域之一。这些模型及其描述的复杂性使得计算工具的使用成为其研究中的一个基本要素。因此，在这一领域的研究，有一个高效和通用的计算工具的强烈需求。结果：在本文中，我们介绍了PyNetMet，一个用于网络和代谢模型的Python工具库。这些都是在Python平台上使用的开源免费工具，与类似的桌面软件相比，这大大增加了它们的多功能性。另一方面，这些工具允许使用不同标准的代谢模型（OptGene和SBML），并且它们是用Python编程的，这一事实打开了与任何其他现有Python工具有效集成的可能性。因此，PyNetMet是一个计算工具的集合，将促进代谢模型和网络的研究工作。
2012-11-30 q-bio.MN
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。
2010-10-05 q-bio.MN q-bio.PE
Metabolic constraints on synaptic learning and memory
树突棘是长期记忆的载体，只占皮层空间的一小部分，但它们是大脑代谢能量的主要消耗者。这些能量中有多少用于与学习和记忆相关的突触可塑性？根据大鼠大脑的神经生理学和蛋白质组学数据，根据蛋白质磷酸化水平，突触可塑性的能量成本构成了用于快速兴奋性突触传递（通常为$4.0-11.2 \%$）的能量的一小部分。接下来，本研究使用一类突触可塑性的级联模型，分析了新学习的代谢成本及其与先前记忆成本的记忆痕迹。有人认为，这些模型必须包含双向循环的图案，有关蛋白质磷酸化，与基本的热力学原理兼容。对于大多数研究的参数，较长的存储器通常需要成比例地存储更多的能量。例外的是控制分子跃迁速度的参数（例如ATP驱动的磷酸化速率），对于这些参数，每投入能量的记忆寿命可以逐渐增加以获得更长的记忆。此外，一般来说，记忆轨迹从对应的突触代谢率动态地叠加，使得在新学习及其记忆轨迹上消耗的能量在大多数情况下仅构成与先前记忆相关联的基线能量的一小部分。总之，这些经验和理论的结果表明，突触存储的信息的代谢效率。
2019-10-16 q-bio.MN q-bio.NC
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。
2009-05-17 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
Predicting synthetic rescues in metabolic networks
医学研究的一个重要目标是开发恢复由于突变和其他缺陷而丧失的细胞功能的方法。许多基于基因治疗的方法旨在修复缺陷基因或插入具有补偿功能的基因。在这里，我们提出了一种替代的，基于网络的策略，旨在通过迫使细胞绕过受缺陷基因影响的功能，或补偿失去的功能来恢复生物功能。专注于单细胞生物体的代谢，我们计算研究缺乏必需酶的突变体，因此无法生长或生长速度显着降低。我们表明，这些突变体中的几个可以变成可行的生物体通过额外的基因缺失，恢复其生长速度。以一种相当违反直觉的方式，这是通过对代谢网络的额外损害来实现的。使用通量平衡为基础的方法，我们确定了一些合成可行的基因对，其中一个酶编码基因的去除导致一个不可行的表型，而第二个酶编码基因的删除拯救生物体。系统的基于网络的补偿性拯救效应的识别可能为遗传干预开辟新的途径。
2008-03-06 cond-mat.dis-nn q-bio.CB q-bio.MN
DCcov: Repositioning of Drugs and Drug Combinations for SARS-CoV-2 Infected Lung through Constraint-Based Modelling
2019冠状病毒病（COVID-19）成为全球性大流行病，目前除对症治疗外，尚无有效的抗病毒药物。通量平衡分析是分析代谢网络的有效方法。它允许优化代谢功能，预测特定细胞的生长速率或感兴趣的代谢物的产生速率。在这里，通量平衡分析被应用于严重急性呼吸综合征冠状病毒2（SARS-CoV-2）感染的人肺细胞，以重新定位代谢药物和药物组合，以对抗宿主组织内SARS-CoV-2病毒的复制。利用感染肺组织的表达数据集，重建了基因组规模的COVID-19特异性代谢模型。然后通过计算机模拟敲除确定宿主特异性必需基因和基因对，所述敲除允许减少病毒生物量产生而不影响宿主生物量。与肺组织中COVID-19严重程度相关的关键途径与氧化应激以及铁凋亡、鞘脂代谢、半胱氨酸代谢和脂肪消化有关。通过对FDA批准的药物在假定的疾病特异性必需基因和基因对上的计算机筛选，预测45种药物和99种药物组合是有希望的COVID-19重点药物重新定位的候选药物（https：//github.com/sysbiolux/DCcov）。在45种候选药物中，发现了6种抗病毒药物，7种药物正在进行针对COVID-19的临床试验。其他药物如吉西他滨、瑞舒伐他汀和乙酰半胱氨酸，以及硫唑嘌呤-培美曲塞等药物组合可能为治疗COVID-19提供新的机会。
2021-03-25 q-bio.GN q-bio.MN
A Gene Ranking Framework Enhances the Design Efficiency of Genome-Scale Constraint-Based Metabolic Networks under Time Limits
Bioinformatics Center, Institute for Chemical Research, Kyoto University（京都大学化学研究所生物信息中心）；Graduate School of Informatics, Kyoto University（京都大学情报大学院）
本文提出了一种基因排序框架，通过加速混合整数线性规划问题的求解来提高基因组规模约束代谢网络设计的效率，该方法在相同时间内提升了成功率37%至186%。
2026-05-17 q-bio.MN
Directionality is an inherent property of biochemical networks
对反应方向的热力学约束是给定生化网络结构中固有的。然而，用于确定大规模代谢网络的可行反应方向的具体程序还没有很好地建立。这项工作介绍了一个系统的方法来计算反应方向，这是由质量平衡和热力学的约束，基因组规模的网络。此外，它表明，非凸的物理化学约束的解决方案空间可以近似由一组线性化的子空间，在其中的质量和热力学平衡得到保证。该方法可用于{ \it ab initio}预测基因组规模网络的反应方向。
2007-02-01 q-bio.MN
Avoid Internal Loops in Steady State Flux Space Sampling
稳态通量空间中的Monte-Carlo采样方法是代谢网络研究中广泛使用的一种方法，它具有灵活性和方便性，可以通过改变约束条件或目标函数，或附加后处理来实现不同的目的。最近，基于第二热力学定律的非线性约束的概念，被称为“环路定律”，是挑战当前的采样算法，这将不可避免地引起内部环路。提出了一种消除采样过程中出现内环的概率的通用方法。新的采样过程基于人工中心命中运行（ACHR）方法，每一步都避免进入“循环形成”子空间。将该方法应用于幽门螺杆菌的代谢网络，分别以均匀采样、优化生物量合成、优化生物量合成效率为目标函数。通过与传统ACHR方法计算结果的比较，表明该方法在不影响非回路通量的情况下，有效地消除了回路通量。
2012-10-18 q-bio.MN q-bio.QM
Stochastic Biological System-of-Systems Modelling for iPSC Culture
针对iPSC大规模培养中聚集体导致的营养与废物问题，提出随机Bio-SoS框架，建模多尺度异质性并量化因素影响，改善培养预测。
2023-10-11 q-bio.MN
Feedbacks from the metabolic network to the genetic network reveal regulatory modules in E. coli and B. subtilis
遗传调控网络（GRN）在控制细胞对环境变化的反应方面发挥着关键作用。尽管GRNs的结构已经成为许多研究的主题，但它们的大规模结构在代谢网络（MN）的反馈下受到的关注相对较少。在这里，我们研究的因果结构的GRNs，即链的一个组件对其他的影响，考虑到反馈的MN。首先考虑E.杆菌和枯草subtilis没有MN的反馈，并说明它们的因果结构。接下来，我们通过包括（a）从编码酶的基因到在由这些酶催化的反应中产生或消耗的代谢物的链接，以及（b）从代谢物到编码转录因子的基因的链接，通过从它们各自的MN的反馈来增强GRN，代谢物通过与它们结合来改变它们的转录活性。我们发现，将来自MN的反馈纳入GRN会显着影响其因果结构，特别是层次结构中节点的级别数量和相对位置，以及强连接组件（SCC）的数量和大小。然后，我们研究了SCC的功能意义。为此，我们确定从MN到GRN的条件特异性反馈，通过仅保留那些在特定环境条件下通过通量平衡分析（FBA）技术模拟的生长所必需的酶。我们发现，这些反馈增强的GRN的SCC可以归因于特定的功能角色在生物体中。因此，我们的算法方法揭示了具有特定功能的相对自主的子系统，或生物体中的调节模块。这种自动化的方法可能是有用的，在确定生物相关的模块在其他生物体的网络数据是可用的，但其生物学研究较少。
2018-03-09 q-bio.MN
Irreversible thermodynamics of open chemical networks I: Emergent cycles and broken conservation laws
在这篇文章和一个配套文件中，我们概述了一个一般框架的热力学描述开放的化学反应网络，特别是关于代谢网络调节细胞生理和生化功能。我们首先介绍封闭网络“在一个盒子”，其热力学受到严格的物理约束：质量作用定律，过程的基本性，和细致平衡。我们进一步离题的溶剂的作用和网络独立性的自由能景观似乎未被承认的财产。然后，我们通过假设某些底物物质（恒化器）的浓度是固定的来打开系统，无论是因为通过与水库接触而被环境迅速调节，还是因为在时间窗口中几乎恒定。结果，系统被驱离平衡。内部物种网络中包含丰富的代数和拓扑结构：涌现的不可逆循环与非零亲和力相关，其对称性由守恒定律的破坏决定。这些中心的结果恢复之间的关系$a + b = s^Y$的基本亲和力$a$，打破守恒律$b$和恒化器的数量$s^Y$。我们分解的基本通量和亲和力在Schnakenberg的网络热力学理论的精神，为即将到来的治疗的线性制度，效率和紧耦合，自由能转导和热力学约束网络重建的稳态熵产生率。
2014-10-21 cond-mat.stat-mech physics.chem-ph q-bio.MN
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。
2012-02-27 cond-mat.dis-nn physics.bio-ph q-bio.MN
Computing fluxes and chemical potential distributions in biochemical networks: energy balance analysis of the human red blood cell
生化反应网络的非平衡稳态分析依赖于找到满足化学计量（质量平衡）和热力学（能量平衡）约束的通量和化学势的配置。探索这些状态的有效方法对于预测反应方向性、计算变异的生理范围、估计相关性以及从底层分子过程重建网络的整体能量平衡至关重要。虽然目前有不同的技术可以对质量平衡约束产生的空间进行采样，但热力学通常很难结合。在这里，我们介绍了一种方法来采样的自由能景观的反应网络在稳态。在其最一般的形式中，它允许从可能包含先前生化信息的试验函数开始计算通量和浓度的分布。我们将我们的方法应用于人体红细胞的代谢网络，其质量平衡的通量状态的空间已被广泛采样，在最近几年。具体而言，我们配置文件的物理可行的通量配置，详细描述如何波动的通量和潜力的相关。在此基础上，我们推导出细胞的能量平衡的熵产生，化学功和热力学效率。
2011-07-12 cond-mat.dis-nn cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Thermodynamic ranking of pathways in reaction networks
该研究针对不可逆随机过程中边界条件的能量成本难题，在化学反应网络（CRNs）框架下基于大偏差理论定义了含维护和限制两部分的路径热力学成本函数，证明了相关成本下界等结论，为开放CRNs热力学及代谢网络演化研究提供基础。
2025-10-29 cond-mat.stat-mech nlin.AO q-bio.MN
P53 Orchestrates Cancer Metabolism: Unveiling Strategies to Reverse the Warburg Effect
本文通过构建整合 p53 关键靶点的数学模型，揭示 p53 如何协调代谢重编程以逆转 Warburg 效应，并提出在 p53 突变情况下靶向糖酵解信号通路可作为替代治疗策略。
2024-08-02 math.DS q-bio.MN
