Biomolecular System Energetics
有效的能量转换是进化的驱动力之一，因此理解生物分子的能量转换对于理解生物体至关重要。作为一种以能量为导向的建模方法，键合图提供了一种描述和建模生命系统效率的有用方法。本文基于糖酵解这一关键代谢过程的键图模型，给出了一些关于代谢效率的新结果。
2018-06-08 q-bio.MN
Enzyme allocation problems in kinetic metabolic networks: Optimal solutions are elementary flux modes
细胞和生物体的生存和增殖需要高度协调的细胞资源分配，以确保细胞成分的有效合成。特别是，细胞代谢的总酶能力受到所有酶之间共享的有限资源的限制，例如胞质空间，氨基酸合成的能量消耗或微量营养素。虽然已经做了大量的工作来研究仅基于化学计量信息的约束优化问题，但表征动力学代谢网络中的最佳通量的数学结果仍然很少。在这里，我们研究约束酶分配问题与一般动力学，使用理论的定向拟阵。我们给出了一个严格的证明的事实，即非线性优化问题的最优解是基本通量模式。这一发现对于我们理解代谢网络的最优性以及识别代谢开关和计算动力学代谢网络中的最优通量分布具有重要意义。
2013-12-09 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
Nonequilibrium calcium dynamics optimizes the energetic efficiency of mitochondrial metabolism
本文通过构建钙-线粒体相互作用的动力学模型并结合非平衡热力学方法，发现钙振荡能提升线粒体代谢的热力学效率，且在底物受限条件下达到峰值，揭示了钙信号对线粒体能量学的补偿作用。
2023-08-04 cond-mat.other cond-mat.stat-mech q-bio.MN
The compositional and evolutionary logic of metabolism
代谢以模块化和层次化的形式表现出鲜明而强大的多样性，其组成可以被复杂地描述。这使得代谢结构可以作为一个系统来理解，并表明了该系统各层出现的顺序。代谢也是其他层次的基础，至少在细胞整合包括生物能量学和分子复制，营养生态学。在这些更高的层次上，新陈代谢中首次出现的模式的重演表明，新陈代谢是生物圈中许多组织形式的因果关系或约束的来源。我们将化学物质、反应或功能的广泛重复使用的子集确定为模块，每个模块都具有保守的内部结构。在小分子底物水平，模块边界通常与最复杂的反应机制和最保守的酶相关。辅因子在小分子底物上形成结构和功能独特的控制层。复杂的辅因子通常用于底物水平的模块边界，而简单的辅因子则参与广泛使用的反应。因此，辅因子功能作为“钥匙”，将生物化学中的有机反应分类。组织新陈代谢成分多样性的模块被认为是长期进化的主导因素。核心代谢的早期进化，特别是碳固定，似乎只需要少数保守模块中的一些创新，就能适应环境的简单地球化学变化。我们在几个层次上展示了代谢的这些特征，从小分子底物和网络结构开始，继续辅因子和关键保守反应，并最终聚集在细胞中多种不同的物理和生化过程。
2012-10-30 q-bio.MN q-bio.PE
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
Metabolism, information, and viability in a simulated physically-plausible protocell
本文模拟物理合理的光驱动原始细胞，研究DNA辅因子序列如何同时影响电荷传输、复制与代谢，并揭示二者序列需求常相互冲突。
2024-05-07 physics.bio-ph q-bio.MN
Entropy production of a steady-growth cell with catalytic reactions
细胞通常转换外部营养资源以支持新陈代谢和生长。了解这种转化的热力学效率对于确定细胞生长的一般特征至关重要。使用一个简单的原细胞模型与催化反应动力学合成所需的酶和膜成分的营养物质，每单位细胞体积生长的熵产生的化学动力学和线性非平衡热力学的速率方程的基础上计算分析和数值。每单位细胞生长的最小熵产生被认为是在一个非零的营养吸收率，而不是在准静态的限制，在标准卡诺引擎。这种差异的出现是因为由酶介导的平衡只存在于通过酶和膜合成生长的细胞内。最佳的营养吸收也证实了许多化学成分通过催化反应网络合成的原始细胞模型。还讨论了确定的最佳吸收的最佳产量为细胞生长的可能相关性。
2014-03-15 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
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
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
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
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
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
Global Sensitivity Analysis of Biochemical Reaction Networks via Semidefinite Programming
我们研究的问题，计算外边界的区域的稳态的生化反应网络模型的常微分方程，相对于允许在预定义的区域内变化的参数。使用相应的可行性问题及其拉格朗日对偶的放松版本，我们展示了如何计算证书的状态空间中不包含任何稳定状态的区域。基于这些结果，我们开发了一种算法来计算所有可行稳态区域的外边界。我们将我们的算法应用于Goldbeter-Koshland酶循环的敏感性分析，该酶循环是调节代谢和信号转导的反应网络中的常见基序。
2009-04-29 math.OC 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
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
