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含隐变量的生物系统动力学:从单分子到细胞

薛晓川  
【摘要】: 生物系统是一个复杂系统,各个尺度上都有许多独特的现象有待于人们去揭示其本质。在本文中,我们通过研究生物单分子、亚细胞和细胞尺度上的几个典型现象,包括单分子酶促反应过程中出现的等待时间呈多指数分布,在外力的作用下单分子酶促反应的平均反应速率呈现多种力的依赖形式,转录起始过程中发生的异常起始终止,细菌的温度趋向性,以及生物细胞群落在不断变化的环境中生存的适应性,发现这些现象表面上看似千差万别,但实质上都可以用含有隐变量的动力学模型加以理解。这些隐变量包括以蛋白质为代表的生物大分子的构象坐标,不同构象下的状态能量,以及基因的随机表达和调控网络中的延时。最后,我们还基于外力作用下的单分子RNA折叠/去折叠实验,提出了一种可以从包含噪声的单分子实验数据中提取出生物本征参数的贝叶斯统计方法。这些研究不仅加深了我们对生物系统动力学行为的认识,而且为进一步研究其他的生物现象奠定了基础。


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