代謝網(wǎng)絡若干計算問題研究.pdf

1、生物體內(nèi)需要經(jīng)過多種中間反應從營養(yǎng)物質(zhì)轉(zhuǎn)化成最終代謝產(chǎn)物。轉(zhuǎn)化過程中,代謝反應過程卻是錯綜復雜、多種途徑并存的。從一個抽象的水平上看,細胞代謝可以被看成一個連接各個節(jié)點(物質(zhì))的復雜網(wǎng)絡,生物體功能通過網(wǎng)狀的交互作用完成。代謝網(wǎng)絡是生物系統(tǒng)中最重要的網(wǎng)絡之一,它連接著基因型和表現(xiàn)型。理解、分析代謝網(wǎng)絡的功能是當前生物信息和系統(tǒng)生物學的重要組成部分。不僅要對單個代謝物深入研究,也必然需要將大量數(shù)據(jù)整合起來進行分析,以系統(tǒng)的觀點研究生物網(wǎng)絡

2、的組織結(jié)構(gòu)。本文針對代謝網(wǎng)絡的若干計算問題進行研究。論文主要從以下幾個方向深入研究:
　　 1.理解代謝網(wǎng)絡內(nèi)部流量分布,特別是基因敲除后的流量分布有助于設計菌株。然而代謝流量平衡分布計算是一個開放性問題,一直沒有一個較好的求解,存在理論期望值和化合物測量值之間的差異。本文提出了一個新的模型用于計算代謝流量分布,分析結(jié)果具有指導意義。
　　 2.代謝網(wǎng)絡具有很多冗余路徑,并不是每一個反應都是重要的。盡管也出現(xiàn)了一些方法(

3、包括代謝平衡分析方法)用于預測基因重要性,但是還不通用,所需條件很多,只能針對特定的模式生物有效。通過“反應—酶—基因”的關系。由反應重要性推測出基因重要性,發(fā)現(xiàn)可以從以下三個方面深入研究:(1)模擬生物體生長所需最小代謝網(wǎng)絡,給出網(wǎng)絡中的重要反應;(2)通過模擬代謝網(wǎng)絡中的某一個反應被刪除后對其他反應的影響程度,預測該反應重要性:(3)通過某一個反應在所有生物體中是否存在,給出一個權(quán)重,再預測這些反應的重要性。生物實驗是通過一個一個敲

4、除基因觀察該生物是否生長來推測該基因是否重要,要對每一個基因都做生物實驗的工作量是極其巨大的。而使用本文所提出這些方法將會大大降低難度和復雜度。
　　 3.模擬代謝反應的缺失變異對整個網(wǎng)絡的影響程度。影響程度定義為級聯(lián)影響被刪除反應前后的反應個數(shù)。每一個生物體的平均反應影響程度都很小,這就顯示冗余的代謝路徑能夠補償反應的缺失。發(fā)現(xiàn)古菌的平均反應影響程度小于真核生物和細菌,這可能暗示著古菌具有很強的健壯性抵制了進化過程中的擾動。同

5、時,發(fā)現(xiàn)代謝網(wǎng)絡的無尺度特性和反應的可逆性決定了代謝網(wǎng)絡的健壯性。還發(fā)現(xiàn)生物體適宜的生長溫度和代謝網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)存在一些相關性。
　　 4.提出了一個代謝網(wǎng)絡的進化模型,這個模型闡明了從少數(shù)遠古時期的物質(zhì)進化發(fā)展到當前復雜的代謝反應網(wǎng)絡。這個模型是基于兩個重要條件的:反應的分布權(quán)重和代謝物的連接性。發(fā)現(xiàn)存在于很多種生物體中的反應是重要的,因為重要反應一般比非重要反應進化出現(xiàn)得早,所以這種分布廣的反應就應該比分布窄的出現(xiàn)得早。此外,進化