代謝網(wǎng)絡(luò)若干計(jì)算問題研究.pdf

1、生物體內(nèi)需要經(jīng)過多種中間反應(yīng)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(yīng)過程卻是錯(cuò)綜復(fù)雜、多種途徑并存的。從一個(gè)抽象的水平上看,細(xì)胞代謝可以被看成一個(gè)連接各個(gè)節(jié)點(diǎn)(物質(zhì))的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò),生物體功能通過網(wǎng)狀的交互作用完成。代謝網(wǎng)絡(luò)是生物系統(tǒng)中最重要的網(wǎng)絡(luò)之一,它連接著基因型和表現(xiàn)型。理解、分析代謝網(wǎng)絡(luò)的功能是當(dāng)前生物信息和系統(tǒng)生物學(xué)的重要組成部分。不僅要對(duì)單個(gè)代謝物深入研究,也必然需要將大量數(shù)據(jù)整合起來進(jìn)行分析,以系統(tǒng)的觀點(diǎn)研究生物網(wǎng)絡(luò)

2、的組織結(jié)構(gòu)。本文針對(duì)代謝網(wǎng)絡(luò)的若干計(jì)算問題進(jìn)行研究。論文主要從以下幾個(gè)方向深入研究:
　　 1.理解代謝網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部流量分布,特別是基因敲除后的流量分布有助于設(shè)計(jì)菌株。然而代謝流量平衡分布計(jì)算是一個(gè)開放性問題,一直沒有一個(gè)較好的求解,存在理論期望值和化合物測(cè)量值之間的差異。本文提出了一個(gè)新的模型用于計(jì)算代謝流量分布,分析結(jié)果具有指導(dǎo)意義。
　　 2.代謝網(wǎng)絡(luò)具有很多冗余路徑,并不是每一個(gè)反應(yīng)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(yù)測(cè)基因重要性,但是還不通用,所需條件很多,只能針對(duì)特定的模式生物有效。通過“反應(yīng)—酶—基因”的關(guān)系。由反應(yīng)重要性推測(cè)出基因重要性,發(fā)現(xiàn)可以從以下三個(gè)方面深入研究:(1)模擬生物體生長所需最小代謝網(wǎng)絡(luò),給出網(wǎng)絡(luò)中的重要反應(yīng);(2)通過模擬代謝網(wǎng)絡(luò)中的某一個(gè)反應(yīng)被刪除后對(duì)其他反應(yīng)的影響程度,預(yù)測(cè)該反應(yīng)重要性:(3)通過某一個(gè)反應(yīng)在所有生物體中是否存在,給出一個(gè)權(quán)重,再預(yù)測(cè)這些反應(yīng)的重要性。生物實(shí)驗(yàn)是通過一個(gè)一個(gè)敲

4、除基因觀察該生物是否生長來推測(cè)該基因是否重要,要對(duì)每一個(gè)基因都做生物實(shí)驗(yàn)的工作量是極其巨大的。而使用本文所提出這些方法將會(huì)大大降低難度和復(fù)雜度。
　　 3.模擬代謝反應(yīng)的缺失變異對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的影響程度。影響程度定義為級(jí)聯(lián)影響被刪除反應(yīng)前后的反應(yīng)個(gè)數(shù)。每一個(gè)生物體的平均反應(yīng)影響程度都很小,這就顯示冗余的代謝路徑能夠補(bǔ)償反應(yīng)的缺失。發(fā)現(xiàn)古菌的平均反應(yīng)影響程度小于真核生物和細(xì)菌,這可能暗示著古菌具有很強(qiáng)的健壯性抵制了進(jìn)化過程中的擾動(dòng)。同

5、時(shí),發(fā)現(xiàn)代謝網(wǎng)絡(luò)的無尺度特性和反應(yīng)的可逆性決定了代謝網(wǎng)絡(luò)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(luò)結(jié)構(gòu)存在一些相關(guān)性。
　　 4.提出了一個(gè)代謝網(wǎng)絡(luò)的進(jìn)化模型,這個(gè)模型闡明了從少數(shù)遠(yuǎn)古時(shí)期的物質(zhì)進(jìn)化發(fā)展到當(dāng)前復(fù)雜的代謝反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)。這個(gè)模型是基于兩個(gè)重要條件的:反應(yīng)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(yīng)是重要的,因?yàn)橹匾磻?yīng)一般比非重要反應(yīng)進(jìn)化出現(xiàn)得早,所以這種分布廣的反應(yīng)就應(yīng)該比分布窄的出現(xiàn)得早。此外,進(jìn)化