Stochastic modelling reveals mechanisms of metabolic heterogeneity
表型变异是细胞生理学的标志。代谢的异质性，特别是单细胞现象，如微生物的耐药性和生长的变异性。许多研究都集中在转录组和蛋白质组的异质性，但目前还不清楚，如果这种变化渗透到细胞的代谢状态。在这里，我们提出了一个随机模型，以表明复杂形式的代谢异质性出现在酶的表达和催化的波动。分析预测克隆种群分裂成两个或两个以上的代谢不同的亚群。我们揭示了在确定性模型中看不到的机制，其中具有单峰表达分布的酶导致在整个人群中具有双峰或多峰分布的代谢物。基于已发表的数据，结果表明代谢物异质性可能比以前认为的更普遍。我们的工作揭示了基因表达和代谢之间的联系，并为探索代谢物异质性的来源提供了理论依据。
2019-01-29 q-bio.MN
Qualitative Behavior of a Metabolic Pathway with Hybrid Feedback
我们研究了一个模型的定性行为，以表示局部调控的代谢网络。该模型基于[A. Goelzer，F.贝卡尔布里克奇岛Martin-Verstraete等人，BMC Syst Biol 2（2008），pp. 1- 18]。在这类调节中，代谢物效应物是代谢途径的终产物。我们假设通路的输入根据代谢物效应物的浓度在零和正值之间切换。将切换系统视为一个微分包含，证明了它依赖于输入的正值收敛到全局一致渐近稳定的平衡点，到达滑动模或在滑动模附近振荡.最后，我们证明了在任何情况下，切换系统的解是具有光滑或分段线性输入的方程序列的解的极限。
2023-03-02 math.DS 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
The MetaboX library: building metabolic networks from KEGG database
在代谢组学的许多关键应用中，如毒理学或营养基因组学，人们感兴趣的是分析和检测代谢过程中的变化，通常以途径的形式表示。作为一种替代办法，更广泛的视角将使调查人员能够更好地了解不同进程中实体之间的关系。因此，将一个可能的扰动与几个已知过程联系起来是这一研究领域的一种新方法。我们建议使用的反应物，酶和代谢物的代谢网络表示。为了模拟这些系统，可以描述酶和代谢物之间的反应和关系。通过这种方式，分析某些代谢物或酶的变化对不同过程的影响更容易理解，检测和预测。结果：我们发布了MetaboX库，这是一个开源PHP框架，用于从一组化合物开发代谢网络。该库使用存储在Kyoto Encyclopedia for Genes and Genomes（KEGG）数据库中的数据，并使用其REST风格的应用程序编程接口（API）和方法来增强对KEGG Web服务返回的信息的操作。MetaboX库包括提取有关感兴趣资源（例如代谢物，反应和酶）的信息以及构建反应物网络，二分酶-代谢物和单分酶网络的方法。这些网络可以以不同的格式导出，以便使用标准工具进行数据可视化。作为一个案例研究，从糖酵解途径的一个子集建立的网络进行了描述和讨论。结论：使用这样的库的优点意味着能够用由代谢物KEGG ID的集合表示的很少的起始信息对复杂系统进行建模。
2014-07-16 q-bio.MN
NetAurHPD: Network Auralization Hyperlink Prediction Model to Identify Metabolic Pathways from Metabolomics Data
本文提出 NetAurHPD 框架，结合图听觉化与超链接驱动的数据增强，从代谢组学相关网络中预测代谢通路，并在番茄果皮数据上优于现有方法。
2024-10-29 q-bio.MN
The protein cost of metabolic fluxes: prediction from enzymatic rate laws and cost minimization
细菌的生长关键取决于代谢通量，这是由细胞的能力，以维持代谢酶的限制。每单位流量所需的酶量是进化和生物工程中代谢策略的主要决定因素。它取决于酶参数（如kcat和KM常数），但也取决于代谢物浓度。此外，相似数量的不同酶可能会导致细胞产生不同的成本，这取决于酶的特定特性，如蛋白质大小和半衰期。在这里，我们开发了酶成本最小化（ECM），一种可扩展的方法，用于计算以最小蛋白质成本支持给定代谢通量的酶量。酶和代谢物浓度的复杂相互作用，例如通过热力学驱动力和酶饱和度，将使得难以直接解决该优化问题。通过将酶成本作为代谢物水平的函数来处理，我们将ECM制定为数值上易于处理的凸优化问题。它的分层方法允许根据可用数据的数量在不同的详细程度上构建模型。用E.大肠杆菌中心代谢，我们发现典型的预测倍数误差分别为3.8和2.7，为两种数据。ECM可用于预测天然和工程途径中的酶水平和蛋白质成本，建立蛋白质成本和热力学之间的直接联系，并提供物理上合理且计算上易于处理的方式将酶动力学纳入基于约束的代谢模型中，其中动力学通常被忽略或过度简化。
2016-04-01 q-bio.MN
Predicting pathways for old and new metabolites through clustering
University of California San Diego（加州大学圣地亚哥分校）
不同的代谢途径是所有生物体的基础，因为它们收获能量，合成生物质组分，产生分子与微环境相互作用，并中和毒素。虽然新代谢物和途径的发现仍在继续，但新代谢物途径的预测可能具有挑战性。它可能需要大量的时间来阐明新代谢物的途径;因此，根据HMDB，只有60%的代谢物被分配到途径。在这里，我们提出了一种方法来确定代谢物结构的基础上的途径。我们从SMILES注释中提取了201个特征，并从PubMed摘要和HMDB中鉴定了新的代谢物。在对这两组特征应用聚类算法后，我们量化了代谢物之间的相关性，并发现聚类准确地将92%的已知代谢物与其各自的途径联系起来。因此，这种方法对于预测新代谢物的代谢途径可能是有价值的。
2022-11-28 cs.LG q-bio.BM 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
A system architecture for parallel analysis of flux-balanced metabolic pathways
在本文中，提出了一个系统架构，近似模型的功能代谢网络。AND/OR图模型用于表示代谢网络，并且系统中的每个处理元件模拟代谢物的功能。该系统是在图形处理单元（GPU）的硬件平台上使用CUDA环境实现的。所提出的架构利用了固有的并行性在网络结构方面的途径和代谢物遍历。每个元素的功能被定义为可以找到通量平衡的路径。在小的和大的代谢网络中的路径被应用到所提出的架构和结果进行了讨论。
2020-07-02 q-bio.MN
Evidence of a universal power law characterizing the evolution of metabolic networks
已知代谢网络是无标度的，但这种结构性质的进化起源还不清楚。研究动力学过程的一种方法是比较物种的代谢网络，这些网络出现在进化的不同阶段，因此在不同程度上相互关联。我们比较了15组物种之间和15组物种内每种代谢物的反应集。对于给定的一对物质和给定的代谢物，仅出现在一个物质而不是另一个物质的代谢网络中的代谢物反应的数量$Δk$是两个网络之间距离的度量。虽然$Δk$在相关物种的组内较小，而在组间较大，但我们发现其概率分布为$\sim (Δk)^{-γ'}$，其中$γ'$是组内和组间相同的普适指数。该指数等于无标度度分布$\sim k^{-γ}$中的指数$γ$，直到统计不确定性。我们认为，这一点，以及我们的发现，$Δk$是近似线性相关的程度$k$的代谢产物，是一个“成比例的变化”的进化过程中的证据。我们还讨论了一些分子机制，可能是负责这样的进化过程。
2005-04-11 cond-mat.dis-nn q-bio.MN q-bio.PE
Flux cost functions and optimal metabolic states
细胞中的代谢通量遵循物理、生物化学和经济学原理。一些通量平衡分析（FBA）方法权衡通量效益与通量成本。然而，如果通量成本函数是线性的，并且旨在描述潜在的酶成本，则这意味着酶效率是恒定的，并且忽略通量、代谢物浓度和细胞中酶水平之间的相互作用。在这里，我介绍了现实的通量成本函数，描述了“开销成本”，即最低酶和代谢产物的成本与通量的动力学模型。这些通量成本函数具有一般的数学性质。酶的流量成本函数，代表酶的成本，规模与流量的配置文件成比例，并在流量多面体凹。动力学通量成本函数表示酶和代谢物成本的总和。如果两个通量曲线叠加，它们对代谢物浓度的不同需求会导致额外的折衷成本，这使得通量成本函数在几乎所有情况下都是严格凹的。当通量改变方向时，酶的成本会突然增加。在这里，我提出了两种方法通量建模：通量成本最小化，FBA与通量最小化的非线性变体，和通量效益优化，FBA与分子拥挤的非线性变体。在给定的通量效益下，最优通量剖面是通量多面体的顶点。酶通量成本的线性近似可用于FBA。与特别选择的通量成本相反，这些函数反映了现实动力学模型中的酶动力学和细胞外浓度。基于酶的通量成本，我们可以描述的细胞生长速率作为一个凸函数的通量多面体，并推导出生长最佳的代谢状态和统计分布的通量在细胞群体。
2022-10-04 q-bio.MN
Principles in the Evolution of Metabolic Networks
理解复杂细胞组织的设计原理是生物学的主要挑战之一。最近对大规模细胞组织的分析揭示了代谢和蛋白质网络的无标度性质和鲁棒性。然而，创造这种细胞组织的基本进化过程并没有完全阐明。为了解决这个问题，我们分析了126种生物体的代谢网络，这些生物体的基因组草图或完整的基因组序列已经发表。该分析揭示了代谢网络的进化过程遵循与细菌、细菌和真核生物中相同且令人惊讶的简单原则;其中高度连接的代谢物比较少连接的代谢物更动态地改变其化学连接。在这里，我们证明了这种丰富的旅行更多的机制，而不是以前提出的丰富的越来越丰富的机制可以产生观察到的无标度组织的代谢网络。这些发现说明了代谢网络进化的普遍规律，并表明代谢网络在整个进化过程中具有显著的灵活性。
2005-03-28 q-bio.GN q-bio.MN
Blood-based metabolic signatures in Alzheimer's disease
引言：基于血液的代谢变化的识别可能提供早期和易于获得的生物标志物。方法：我们纳入了127例AD患者和121例对照，这些患者均经CSF生物标志物证实诊断（tau/A $β_{42}$临界值：0.52）。质谱平台测定了53种胺、22种有机酸、120种脂质和40种氧化应激化合物的浓度。评估了多个签名：差异表达（嵌套线性模型）、分类（逻辑回归）和调节（网络提取）。结果：26种代谢产物差异表达。Metalloy将临床变量的分类性能从74%提高到79%。网络模型确定了代谢失调的5个枢纽：酪氨酸、甘氨酰甘氨酸、谷氨酰胺、溶血磷酸C18：2和血小板活化因子C16：0。与APOE $ε$ 4阳性AD患者的代谢物网络相比，APOE $ε$ 4阴性AD患者的代谢物网络的内聚性较低。讨论：多个签名指向各种有希望的外周标记物以进行进一步验证。不同APOE基因型AD患者的网络差异可能反映了AD发病的不同途径。
2017-09-21 q-bio.MN q-bio.NC stat.AP
Sign-sensitivity of metabolic networks: which structures determine the sign of the responses
代谢紊乱是普遍存在的。了解和控制它们对代谢网络的影响的一个核心工具是敏感性分析，它研究网络如何响应外部扰动。我们在这里遵循的结构方法：分析是基于网络的化学计量，它不需要任何定量的反应速率的知识。我们认为扰动的反应速率和代谢物浓度，在平衡，我们调查的网络中的响应。对于一般的代谢系统，本文着重于反应的符号，即反应是正的、负的还是其符号取决于系统的参数。特别是，我们确定和描述的子网络，是主要的球员在标志的描述。这些子网络与化学计量矩阵的某些核向量相关联，因此与所选动力学无关。
2021-11-25 math.DS q-bio.MN
A simple method to extend COBRApy dynamic FBA protocol to the metabolic simulation of communities
本文提出一种简单方法，通过为每个物种分配独立隔室并跟踪共享代谢物库，在不修改COBRApy包的情况下实现动态并行FBA，从而将dFBA扩展到物种群落的代谢模拟。
2025-09-10 q-bio.MN
Stochastic fluctuations in metabolic pathways
活细胞中分子丰度的波动可能会影响其生长和健康。对于调节分子（例如，信号蛋白或转录因子），其表达的波动可影响网络中下游靶标的水平。在这里，我们开发了一个分析框架，以研究分子网络中的噪声相关现象。具体来说，我们专注于代谢网络，这是高度相互联系的，和噪声属性可能会限制其结构和功能。的动力学之间的类比的线性代谢途径和完全可溶的线性代谢网络，或者，一个质量传递系统，我们推导出大量的结果关于波动的中间代谢产物在各种常见的图案的代谢网络。对于所有，但一种情况下检查，我们发现在不同节点的路径的稳态波动是有效的不相关。因此，酶水平的波动只影响局部性质，不会传播到其他地方进入代谢网络，中间代谢物可以自由地由不同的反应共享。我们的方法可能适用于研究具有更复杂拓扑结构的代谢网络，或受类似生化反应支配的蛋白质信号网络。代谢数据的生物信息学分析的可能影响进行了讨论。
2007-04-13 cond-mat.stat-mech q-bio.MN
Structural thermokinetic modelling
如果动力学常数未知，将代谢网络转化为动力学模型是困难的。结构动力学模型（SKM）用独立的随机数代替反应弹性。在这里，我提出了一个变量，占可逆反应和热力学：在结构热动力学建模（STM），相关的弹性计算从酶的饱和值和热力学力，这是物理上独立的。STM依赖于一种依赖模式，在这种模式中，基本变量可以被采样、拟合到数据或优化，而所有其他变量都是从它们中计算出来的。依赖模式中的概率分布定义了一个模型集合，即使数据稀缺，也会导致概率预测。STM强调了生物变量的变异性、依赖性和协方差的重要性。通过选择或采样基本变量，我们可以将代谢网络转化为具有一致可逆速率定律的动力学模型。从这些模型中获得的代谢控制系数可以告诉我们代谢动力学，包括对扰动的响应和最佳适应，以及酶协同作用，代谢物相关性和化学噪声引起的代谢波动。通过比较具有不同网络结构、通量、热力学力、调节或速率定律类型的模型变体，我们可以量化这些模型特征的影响。为了展示STM，我研究代谢控制，代谢波动和酶的协同作用，以及它们如何被热力学力量塑造。热力学可以用来获得更精确的预测流量控制，酶的协同作用，相关的流量和代谢物的变化，以及代谢噪音的出现和传播。
2022-03-07 q-bio.MN
Scale-rich metabolic networks: background and introduction
最近的进展已经澄清了许多功能的全球架构的生物代谢网络，具有高度组织和优化的公差和权衡（HOT）的功能要求的灵活性，效率，鲁棒性和可进化性，与约束的能量守恒，氧化还原，和许多小的部分。这种架构的一个后果是高度结构化的模块化，是自相异和规模丰富，具有极端的低和高的变异性，包括幂律，在代谢物和反应程度分布。本文阐述了这些功能，使用化学计量学的代谢网络在细菌中，和一个简单的模型的抽象代谢。
2004-10-07 q-bio.MN
Metabolite patterns reveal regulatory responses to genetic perturbations
遗传和环境扰动实验已被用于研究微生物，以深入了解转录调控，适应性进化和其他细胞动力学。这些研究有可能使合理的应变设计。不幸的是，由于不同的实验条件和方法，实验确定的细胞内流量分布往往是不一致的或不可比较的。计算菌株设计依赖于基于约束的重建和分析（COBRA）技术来预测基因敲除的影响，例如通量平衡分析（FBA）、调节开/关最小化（ROOM）、代谢调节最小化（MOMA）、代谢网络中的相对最优性（RIPATCH）。这些敲除预测方法中的大多数是基于保存被认为代表细胞调控结构的固有通量模式（野生型和突变体之间）。然而，最近已经证明，这些方法与实验数据显示出较差的一致性。为了提高敲除预测和随后的计算菌株设计的保真度，我们开发了REMEP，一种以代谢物为中心的方法。我们通过比较不同方法对E. coli和S.在分批培养中生长的酿酒酵母。REMEP保留了早期算法的大部分功能，但在捕获细胞对遗传扰动的反应方面要准确得多。其主要原因是REMEP依赖于细胞调节结构在代谢物模式上留下签名而不仅仅是通量模式的假设。REMEP也将被证明有助于揭示细胞调控的新见解。
2017-01-10 q-bio.MN
On Dynamically Generating Relevant Elementary Flux Modes in a Metabolic Network using Optimization
基本通量模式（EFM）是通过代谢反应网络将外部底物连接到产物的途径。使用EFM，可以将代谢网络转换为其宏观对应物，其中内部代谢物已被消除，仅保留外部代谢物。在基于EFM的代谢通量分析（MFA）中，实验确定的外部通量被用来估计每个EFM的通量。一般来说，枚举复杂网络的所有EFM是不允许的，因为EFM的数量随着网络的复杂性而迅速增加。在这项工作中，我们提出了一种基于优化的方法，动态生成一个子集的EFM和解决基于EFM的MFA问题的同时。得到的子集包含的EFMs，有助于最优解的EFMs为基础的MFA问题。我们的方法的有用性进行了检查，在一个案例研究中使用的数据从中国仓鼠卵巢细胞培养和两个网络的不同的复杂性。结果表明，基于EFMs的MFA问题可以在较低的计算成本，即使是更复杂的网络解决。此外，只需要一小部分的EFM总数计算的最优解。
2014-10-10 math.OC q-bio.MN
Recovering Metabolic Networks using A Novel Hyperlink Prediction Method
研究代谢网络对许多领域都至关重要，如新药和生物燃料。对于生物学家来说，一个关键的挑战是，许多反应是不切实际的或昂贵的，通过实验来发现。我们的任务是恢复缺失的反应。通过利用问题的结构，我们模型的反应恢复作为一个超链接预测问题，其中每个反应被视为一个超链接连接其参与顶点（代谢物）。与传统的两个节点形成链接的链接预测问题不同，超链接可以涉及任意数量的节点。由于超链接的基数是可变的，现有的分类器的基础上，一个固定数量的输入功能变得不可行。传统的方法，如共同邻居和Katz指数也不适用，因为它们仅限于两两相似。在本文中，我们提出了一种新的超链接预测算法，称为矩阵提升（MATBoost）。MATBoost通过迭代完成匹配优化，在关联空间和邻接空间中联合进行推理。我们进行了大量的实验，以表明MATBoost实现了最先进的性能。对于一个包含1805个代谢物和2583个反应的代谢网络，我们的算法可以成功地从400个缺失的反应中恢复近200个反应。
2016-11-21 cs.SI q-bio.MN
Mass Conservation And Inference of Metabolic Networks from High-throughput Mass Spectrometry Data
我们提出了一个步骤，从代谢分析数据，如质谱的细胞代谢反应网络的代谢组范围的计算推理。重建的基础上确定的不可约的统计之间的相互作用的代谢物的活动，使用ARACNE逆向工程算法和约束可能的代谢转化，以满足质量守恒。由此产生的算法进行验证合成数据从一个简化的计算模型大肠杆菌代谢。常规观察到用于鉴定完整代谢反应的准确率超过50%，并且还观察到超过20%的召回率。
2010-07-06 q-bio.MN q-bio.QM
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
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
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
A Graph-Based Approach to Analyze Flux-Balanced Pathways in Metabolic Networks
基本通量模式（EFM）是在稳态约束空间中具有最小反应集的途径。由于计算EFM的高计算复杂性，已经提出了不同的方法来找到这些通量平衡的路径。本文提出了一种基于图数据模型的有限元素模型子集的求解方法。将给定的代谢网络映射到图模型，并且可以基于代谢物及其相关反应来做出反应包含的决策。这一概念使得该方法更方便地对输出路径进行分类。所提出的方法对代谢网络的影响进行了讨论。
2018-02-04 q-bio.MN
Genome-scale estimate of the metabolic turnover of E. Coli from the energy balance analysis
在这篇文章中，代谢营业额的概念是根据最近的结果重新平衡热力学。通过蒙特卡罗方法，我们执行一个精确的均匀采样的稳态通量在基因组规模的大肠杆菌代谢网络，我们推断代谢物周转时间。然而，后者是从净通量推断，我们认为，这种近似是无效的酶附近的热力学平衡。我们重新计算周转时间从总通量进行能量平衡分析的网络和经常性的波动定理。我们发现，在许多情况下，值的数量级较低，这意味着一个更快的图片中间代谢。
2015-05-18 physics.bio-ph q-bio.MN
Metabolic Futile Cycles and Their Functions: A Systems Analysis of Energy and Control
长期以来，人们一直假设细胞代谢中的无效循环参与了生化途径的调节。在Newsholme和Crabtree的工作之后，我们基于开放系统热力学和代谢控制分析为这个想法开发了一个定量理论。它示出的中间代谢物浓度相对于稳态通量的变化的{ \it化学计量灵敏度}是由中间形成的有效平衡常数，并且平衡可以由无效循环调节。有效平衡常数的移动方向取决于无效循环的运行方向。高化学计量灵敏度对应于中间浓度对通过通路的净流量的超灵敏度;低化学计量灵敏度对应于浓度相对于通量变化的超稳健性。这两种情况都可能在代谢调节中发挥重要作用。无效循环通过消耗能量来积极地改变有效平衡;有效平衡和敏感性的变化幅度是无效循环所使用的能量的函数。这种由无效循环控制的机制与生物合成中的动力学校正非常相似。该系统的灵敏度也与中间代谢物的浓度波动率密切相关。细胞生化调节的两个主要机制，即可逆的化学修饰，通过徒劳的周期和移动平衡的大分子结合，可能不同的角色进行了讨论。
2006-06-14 q-bio.MN q-bio.SC
Metabolic robustness and network modularity: A model study
[背景]一些研究提到了网络模块性-网络可以很容易地分解为内部密集连接和彼此之间弱连接的子图-作为影响代谢鲁棒性的因素。在本文中，我们直接在一个新陈代谢模型系统中测量网络模块性和鲁棒性的几个方面之间的关系。[方法/主要发现]通过使用一个模型来生成化学反应系统，其中可以调整网络模块化，我们发现，鲁棒性随着代谢物浓度变化的模块化而增加，而随着酶表达的变化而减少。同样的模块化比例也适用于扰动后的弛豫速度。[结论/意义]模块性不是使代谢或多或少稳健的一般原则;这个问题需要针对系统的不同类型的扰动来具体解决。
2010-12-20 q-bio.MN
Considerations of automated machine learning in clinical metabolic profiling: Altered homocysteine plasma concentration associated with metformin exposure
随着代谢组学科学的成熟和生物库的激增，临床代谢谱是推进转化临床研究的一个日益机会主义的前沿。自动机器学习（AutoML）方法提供了令人兴奋的机会来指导不可知代谢分析工作中的特征选择，其中可能必须评估数千个独立的数据点。在以前的研究中，使用不同类型的高维数据的AutoML已经证明是健壮的，优于传统方法。然而，在临床代谢分析中的应用考虑仍有待评估。特别是关于AutoML识别和调整常见临床混杂因素的稳健性。在这项研究中，我们提出了一个集中的案例研究，关于AutoML的注意事项，使用基于树的优化工具（TPOT）在代谢分析暴露于二甲双胍的生物库队列。首先，我们提出了一个串联的排名准确性措施，以指导不可知的功能选择和相应的阈值确定在临床代谢分析的努力。其次，虽然使用默认参数的AutoML可能对低效应混淆临床协变量缺乏敏感性，但我们证明了代谢物特征的剩余训练和调整是一种易于应用的方法，以确保AutoML调整潜在的混淆特征。最后，我们提出了增加同型半胱氨酸与长期暴露于二甲双胍作为一个潜在的新的，非复制的代谢物协会建议的TPOT，一个协会没有确定在平行的临床代谢谱的努力。虽然建议考虑因素，包括临床混杂因素的调整方法，但AutoML提供了一种令人兴奋的工具，可以增强临床代谢分析和推进转化研究工作。
2017-10-09 q-bio.MN q-bio.PE q-bio.QM
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
Modules in the metabolic network of E.coli with regulatory interactions
我们研究的代谢网络的模块化结构时，结合大肠杆菌中的小代谢产物的酶的直接调节的调控网络。为了识别模块结构，我们引入了基于一种新的顶点相似性度量的二分图聚类算法。我们还采用了一个标准的模块识别方法的基础上模拟退火。这两种方法识别相同的模块化核心，每种方法具有不同的分辨率。我们观察到轻微的，但仍然有统计学意义的增加后，调节相互作用的模块化。用调节信息富集代谢网络导致新功能模块的鉴定，其不能仅在代谢网络中检测到。模块中的调节环是其自我控制（即自主性）的来源，并允许对模块功能进行假设。这项研究表明，纳入监管信息是重要的组成部分，在定义功能单位的代谢网络。
2014-01-13 physics.bio-ph 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
Flux-dependent graphs for metabolic networks
细胞适应它们的代谢流以响应环境的变化。我们提出了一个框架的系统建设的通量为基础的图形来自生物体范围的代谢网络。我们的图通过代表从源到目标反应的代谢物流的边缘编码代谢通量的方向性。该方法可以应用在一个特定的生物背景下，通过模拟通量的概率，或可以定制不同的环境条件下，通过纳入通量分布计算通过基于约束的方法，如通量平衡分析。我们说明了我们的方法对大肠杆菌的中心碳代谢和人类肝细胞的代谢模型。在各种环境条件和遗传扰动下的通量依赖图表现出其拓扑结构和群落结构的系统性变化，这些变化捕获了代谢通量的重新路由以及特定反应和途径的不同重要性。通过整合网络科学中基于约束的模型和工具，我们的框架允许在标准途径描述之外的系统水平上研究特定于环境的代谢反应。
2018-03-28 cs.SI physics.soc-ph q-bio.MN
A statistical mechanics description of environmental variability in metabolic networks
在活细胞内发生的许多化学反应是不可逆的。由于进化的压力，这些系统中允许的反应数量受到高度限制，因此产生的代谢网络显示出相当大的不对称性。在本文中，我们探讨了可能的进化因素有关的减少对称性在这些网络中观察到的，并展示了重要的作用，环境的变化在塑造他们的结构组织。将可回复性指数解释为与假设参考系统平衡的反应网络的平衡常数，使我们能够量化代谢网络处于不平衡的程度。此外，通过引入一个新的有向中心性措施，通过扩展的子图中心性度量有向网络，我们能够通过他们的参与代谢途径中的单个代谢物。为了证明这些想法，我们研究了116个细菌的代谢网络。特别是，我们发现，代谢网络的平衡常数显着降低与细菌栖息地的变化，支持环境的变化促进这些生化反应系统内的不平衡的观点。
2013-03-01 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.MN
Spin Glass Theory of Interacting Metabolic Networks
我们在一个统计力学的框架内，考虑到每个细胞的实际表型能力及其与邻居的相互作用，铸造相互作用的细胞的代谢。反应通量将是高维自旋矢量的分量，其值将受到化学计量学和代谢的能量需求的约束。在这幅图中，找到种群的表型状态就相当于寻找无序自旋模型的平衡状态。我们为任意代谢网络和相互作用提供了这个问题的一般解决方案。我们将此解决方案应用于代谢的简化模型和复杂的代谢网络，\emph{E. coli}的中心核心，并证明选择压力和相互作用的组合定义了一个复杂的表型空间。细胞可以专门生产或消耗在群体水平上相互补充的代谢物，这可以通过具有多个最小值的平衡相空间来描述，就像自旋玻璃模型一样。
2019-09-24 cond-mat.stat-mech q-bio.MN
Metabolic Network Properties: Comprehensive Analysis Across Domains
Universidade Federal do Rio Grande do Sul (UFRGS)（南里奥格兰德联邦大学）；Mayo Clinic Hospital（梅奥诊所医院）
本研究对10912个跨三域生物的代谢网络开展综合分析，提出贴合代谢通路的新构建方法，采用Surprise函数研究其群落结构，识别出进化压力导致的拓扑与群落特征，强调进化模型需纳入额外机制。
2026-08-24 cond-mat.stat-mech q-bio.MN
RatGene: Gene deletion-addition algorithms using growth to production ratio for growth-coupled production in constraint-based metabolic networks
RatGene算法通过生长与生产比率方法同时优化基因删除和添加，显著提高生长耦合生产策略的识别成功率，为微生物代谢设计提供更高效的计算工具。
2024-11-18 q-bio.MN q-bio.QM
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 Stubborn Roots of Metabolic Cycles
对代谢网络结构进行分类的努力已经产生了非常详细的、基因组规模的细胞生化反应图谱。不幸的是，这些图谱无法捕捉代谢反应的动力学细节，而只能提供\textit{topological}信息来进行预测。因此，研究经常考虑代谢网络的拓扑结构在多大程度上决定其动态行为，而不考虑动力学细节。在这里，我们研究了一类称为非自催化代谢循环的代谢网络，并分析证明了一个关于其稳态稳定性的公开猜想。重要的是，我们的研究结果是不变的动力学参数，速率定律，平衡通量和代谢物浓度的选择。出乎意料的是，我们的证明暴露了一个基本的，但显然是公开的问题，定位两个多项式S = P+Q的和的根，当被加数多项式P和Q的根是已知的。我们得出两个新的结果命名的顽固根定理，提供了充分的条件下，S的根保持定性相同的根P.我们的工作说明了如何互补反馈，从经典领域，如动力系统，生物学，反之亦然，可以暴露基本的和潜在的被忽视的问题。
2013-04-24 nlin.AO q-bio.MN q-bio.QM
Metabolic Regulatory Network Kinetic Modeling with Multiple Isotopic Tracers for iPSCs
本文针对iPSCs培养过程开发了一个聚焦中枢碳代谢网络的机制动力学模型，利用多重同位素示踪剂等多条件数据学习代谢调控机制，经交叉验证能有效预测细胞代谢与培养动态，从而支持最优培养条件选择及再生医学的大规模制造。
2023-10-26 q-bio.CB q-bio.MN
SteatoNet- Modelling steatosis identifies candidate systemic flux distribution deregulations
与非酒精性脂肪性肝病（NAFLD）相关的因素的功能多样性需要利用整体方法来研究NAFLD发病机制的网络特性。我们描述了第一个小鼠特异性多组织代谢模型SteatoNet的生成，以研究NAFLD相关的脂肪变性，通过利用面向对象的建模方法，并纳入许多肝脏代谢途径，它们与外周组织的相互作用以及转录和翻译后水平的分级反馈调节。独特的验证模型是基于稳态分析的常微分方程，允许调查的系统行为的情况下估计的动力学参数。模型分析表明代谢通量分布参数在控制代谢物浓度中的重要性，并确定了网络中可能在启动NAFLD中发挥关键作用的关键焦点。虽然需要实验验证，但SteatoNet确定的候选触发因素提供了对NAFLD网络特性的深入了解，并强调了SteatoNet作为假设生成和探索相关代谢疾病的主要研究工具的前景和潜力。
2013-09-05 q-bio.MN
Striking a balance with Recon 2.1
Recon 2是对人体代谢网络的高度策划重建。虽然该网络是最先进的，但它有缺点，包括存在涉及通用代谢物的不平衡反应。通过将这些通用分子替换为它们的每个特定实例，我们可以确保完全的元素平衡，从而允许执行基于约束的分析。由此产生的模型称为Recon 2.1，比原始模型大一个数量级。
2014-11-26 q-bio.MN
Inferring metabolic phenotypes from the exometabolome through a thermodynamic variational principle
生化反应网络，如细胞代谢网络，通过将它们与环境连接的交换通量而保持在非平衡稳态。在大多数情况下，可行的通量配置可以在规定输入和输出通量时从最小质量平衡假设推导出。在这里，我们考虑的问题，推断细胞内的流量模式从细胞外代谢物水平。借助于热力学平衡变分原理来描述网络在稳态下，我们表明，从发酵氧化表型在细胞中的开关，其特征在于在葡萄糖，乳酸，氧气和二氧化碳的浓度。一个完全可解的玩具模型得到的结果完全恢复大规模重建人体categories。最后，我们认为，尽管在理论中涉及的许多近似，几种人类细胞类型的可用数据很好地描述了预测的表型图的问题。
2014-10-23 cond-mat.dis-nn physics.bio-ph q-bio.MN
Integrating network pharmacology, metabolomics, and gut microbiota analysis to explore the effects of Jinhong tablets on chronic superficial gastritis
本研究整合网络药理学、代谢组学和肠道菌群分析，揭示了金红片通过调节脂质与能量代谢及甜菜碱等代谢物和特定肠道菌群，从而有效缓解慢性浅表性胃炎的作用机制。
2025-03-06 q-bio.MN
Uncovering the hidden geometry behind metabolic networks
代谢是生命和疾病背后的迷人细胞机制，基因组规模的重建为我们提供了对其复杂性的迷人看法。然而，破译代谢结构和功能之间的关系仍然是一个重大挑战。特别是，将观察到的结构性的神经元转化为系统功能的组织原则是一项至关重要的任务，在赋予代谢的复杂网络表示以几何距离的概念之后，这一任务可以得到显著解决。在这里，我们设计了一个代谢网络的地图，通过将它们嵌入到一个简单的几何图形中，为它们观察到的网络拓扑结构提供了一个自然的解释，并将节点邻近度编码为隐藏的结构相似性的度量。我们假设一个简单的和一般的连接性法律，使更多的概率相互作用的代谢物/反应对更接近的隐藏空间。值得注意的是，我们发现了一个惊人的一致性之间的建筑E。大肠杆菌和人类细胞的代谢和基本的几何结构。此外，形式主义揭示了一个骨干样结构的基础上的定量串扰连接的生化途径。因此，通路获得了一个新的视角，挑战了它们作为独立功能单元的经典观点。
2011-09-09 cond-mat.dis-nn physics.soc-ph q-bio.MN
Functional cartography of complex metabolic networks
高通量技术正在导致生物数据库规模的爆炸性增长，并为我们对生命和疾病的理解带来革命性的机会。然而，对这些数据的解释仍然是一个重大的科学挑战。在这里，我们提出了一种方法，使我们能够提取和显示复杂网络中包含的信息。具体来说，我们证明了一个可以（i）在复杂网络中找到功能模块，（ii）根据其内部和模块间连接的模式将节点分类为通用角色。因此，该方法产生了复杂网络的“制图表示”。代谢网络是最具挑战性的生物网络之一，也是最有可能立即应用的网络。我们使用我们的方法来分析的代谢网络的十二个生物体从三个不同的超级王国。我们发现，通常情况下，80%的节点只连接到各自模块内的其他节点，并且具有不同角色的节点受到不同进化约束和压力的影响。值得注意的是，我们发现连接不同模块的低度代谢物比连接主要在单个模块内的枢纽更保守。
2005-02-23 cond-mat.dis-nn q-bio.MN
Network-based confidence scoring system for genome-scale metabolic reconstructions
复杂生物网络重建的可靠性仍然是一个问题。虽然观测结果越来越精确，但数据收集过程仍容易出错，证据显示出不一致的确定性。在代谢网络的情况下，目前采用的置信度评分系统根据表示不同水平的实验证据或基于模型的可能性的离散化的小标签集对反应进行评级。在这里，我们提出了一个基于计算网络的反应评分系统，利用复杂的层次结构和统计的代谢网络作为一个二分图。我们用大肠杆菌代谢的例子来说明我们的方法。我们的模型根据观察结果进行调整，以获得单个代谢产物-反应对之间的连接概率，并且在验证后，我们整合单个链接信息以评估每个反应在概率方面的可靠性。这种基于网络的评分系统打破了目前采用的分数的简并性，能够进一步确认建模结果，揭示可能在功能上或进化上重要的非常具体的反应，并确定突出的实验目标以供进一步验证。鉴于许多生物相互作用的自然网络双偶性，我们预见了我们的方法的广泛潜在应用。
2010-08-18 cond-mat.dis-nn physics.soc-ph q-bio.MN
Model Validation and Selection in Metabolic Flux Analysis and Flux Balance Analysis
13 C-代谢通量分析（13 C-MFA）和通量平衡分析（FBA）在生物学和生物技术研究中被广泛用于研究生化网络的运行。这两种方法都使用稳态代谢的代谢反应网络模型，因此反应速率（通量）和代谢中间产物的水平被约束为不变的。它们提供了体内通过网络的通量的估计（MFA）或预测（FBA）值，这些值无法直接测量。已经采取了一些方法来测试基于约束的方法的估计和预测的可靠性，并决定和/或区分替代模型架构。尽管在代谢模型的统计评估的其他领域取得了进展，验证和模型选择方法一直未得到充分的重视和探索。我们回顾了基于约束的代谢模型验证和模型选择的历史和最新技术水平。应用和限制的拟合优度的X2检验，最广泛使用的定量验证和选择方法在13 C-MFA，进行了讨论，并提出了验证和选择的补充和替代形式。一个结合模型验证和选择框架13 C-MFA纳入代谢物池大小的信息，利用该领域的新发展，并主张。最后，我们讨论了如何通过强大的验证和选择程序可以提高信心，在基于约束的建模作为一个整体，并最终促进更广泛的使用FBA在生物技术特别是。
2023-03-22 q-bio.MN q-bio.QM
Signatures of arithmetic simplicity in metabolic network architecture
代谢网络在活细胞中执行一些最基本的功能，包括能量转导和构件生物合成。虽然这些是生命系统中最具特征的网络，但了解它们的进化历史和复杂的布线构成了生物学中最迷人的开放问题之一，与生命起源本身的谜团密切相关。新陈代谢的进化是否服从于普遍的原则，超越了不可预测的多重历史事件的积累？在这里，我们寻找这样的原则，适用于人工化学宇宙的一些方法，为研究基因组规模的细胞代谢模型。特别是，我们使用代谢通量约束为基础的模型来彻底搜索人工化学途径，可以最佳地执行一系列的基本代谢功能。尽管所采用的模型简单，我们发现，随后的途径显示出令人惊讶的丰富的属性，包括存在的自催化循环和分层模块，普遍优选的代谢产物和反应的外观，以及作为输入/输出分子大小的函数的途径长度的对数趋势。这些属性中的一些可以通过分析推导出来，借用以前在密码学中使用的方法。此外，通过将生化网络映射到简化的碳原子反应骨架上，我们发现人工化学模型预测的几个属性适用于真实的代谢网络。这些发现表明，优化原则和算术简单性可能隐藏在生化复杂性的某些方面。
2010-04-02 q-bio.MN q-bio.QM
Estimate Metabolite Taxonomy and Structure with a Fragment-Centered Database and Fragment Network
代谢物结构鉴定已成为基于质谱的代谢组学研究的主要瓶颈。到目前为止，已经开发了许多质谱数据库和搜索算法来解决这个问题。然而，仍然存在两个关键问题：数据库中的化学成分记录覆盖率低，以及与实验设备和参数设置相关的MS/MS光谱变化显著。在这项工作中，我们认为分子片段作为代谢组分的基本组成部分，在MS/MS谱中具有相对一致的特征。从自下而上的角度出发，通过对人类代谢组数据库（HMDB）中的数据进行重组，建立了一个以片段为中心的数据库MSFragDB，并开发了一种无强度搜索算法，根据用户的输入搜索和排序最相关的代谢物。我们还提出了片段网络的概念，这是一种编码分子片段之间关系的图形结构，以找到指示特定化学结构的紧密基序。虽然基于与HMDB相同的数据集，但验证结果表明MSFragDB具有更高的命中率，并且当数据库中缺少相应的化学成分时，估计查询光谱所属的可能分类。在Fragment Network的帮助下，MSFragDB也被证明能够在MS/MS谱受到干扰的情况下估计正确的结构。所提出的策略是通用的，可以在现有的数据库中采用。我们相信MSFragDB和片段网络可以提高现有数据的结构识别性能。该数据库的测试版可在www.xrzhanglab.com/msfragdb/上免费获得。
2021-01-11 q-bio.MN q-bio.QM
Renormalization group approach to power-law modeling of complex metabolic networks
在复杂生物系统的建模中，幂律模型（如S系统和GMA系统）的使用通常在浓度的几个数量级上提供了显着的准确性，这是一个目前尚未完全理解的异常广泛的范围。为了在这个意义上提供额外的见解，这篇文章致力于重整化群分析分形或自相似介质中的反应。特别是，重整化群的方法是适用于调查的速率定律描述这样的反应是如何改变时的几何尺度。这种分析的确切目的是调查幂律速率律是否呈现出一些显著的特征，这些特征是幂律建模成功的原因。我们将看到，根据重整化群的观点，答案是肯定的，因为幂律是重整化群变换的临界解，即幂律速率律是重整化群不变解。此外，它表明，这些结果也意味着不变性下的浓度缩放组，从而占报告的幂律模型的精度在几个数量级的代谢物浓度。
2019-10-16 math.DS nlin.AO physics.bio-ph
Multiscale metabolic modeling of C4 plants: connecting nonlinear genome-scale models to leaf-scale metabolism in developing maize leaves
C4植物，如玉米，将二氧化碳集中在其叶片静脉周围的专门隔室中，以提高二氧化碳同化的效率。二氧化碳和氧气水平与反应速率之间的非线性关系是其生理学的关键，但不能用基于约束的代谢建模的标准技术来处理。我们证明，将这些关系作为反应速率的约束条件，并解决由此产生的非线性优化问题，产生现实的预测C4系统对环境和生化扰动的响应。使用一个新的基因组规模的玉米代谢重建，我们建立了一个18000反应，非线性约束模型描述叶肉和束鞘细胞在15个段的发育中的玉米叶，通过代谢物交换相互作用，并使用RNA-seq和酶活性测量预测代谢状态的空间变异的一种新的方法，优化通量和表达数据之间的相关性。虽然这样的相关性是已知的一般是弱的，在这里预测的通量实现与数据的高度相关性，成功地捕捉实验观察到的碳输入组织和碳输出组织之间的基部到尖端的过渡，并包括非零的生长速率，在其他系统中的类似方法的先前结果相比。我们认为，发展梯度可能是特别适合从表达数据的代谢通量的推断。
2015-02-27 q-bio.MN q-bio.TO
A generalizable framework for unlocking missing reactions in genome-scale metabolic networks using deep learning
University of South Carolina（南卡罗来纳大学）；Central South University（中南大学）；Peking University（北京大学）；Yangtze Delta Region Institute, University of Electronic Science and Technology of China（电子科技大学长三角研究院）；National Technology Innovation Center of Synthetic Biology（国家合成生物技术创新中心）；Shenzhen Institute of Advanced Technology, Chinese Academy of Sciences（中国科学院深圳先进技术研究院）
研究提出深度学习工具CLOSEgaps，将补缺问题建模为超图中的超边预测问题，通过学习超拓扑特征识别缺失反应，在多种GEMs中准确填补超96%缺口并显著提升表型预测和代谢物生产能力。
2024-09-20 cs.AI q-bio.MN
