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多尺度复杂生物网络的建模与分析

闵勇  
【摘要】:网络生物学是一门融合了物理学、系统科学、计算机科学和生命科学的前沿交叉学科,它的主要目的就是系统地归类、分析、调控和优化内嵌在生命系统中的网络结构。在生物学和生态学中,关键的问题在于理解生命系统中的组件(从DNA、代谢分子、细胞、个体到甚至生态系统)和其之间的互动是如何决定这些系统的功能的。在二十一世纪中,网络生物学的快速发展证明了生命系统中的网络结构都服从一些统一的基本规律,并且提供了一个全新的理论平台来帮助科学家用一种革命性的视角重新审视生物学和生态学。 形式化的数学模型以及相关的分析方法和工具是处理复杂生物网络的基础。本研究对网络生物学中的三个主要挑战进行了研究和讨论:a)寻找更为有效的评估生物网络强韧性的方法;b)探索新涌现的人与自然耦合系统中的生态网络的性质;和c)为生物学和生态学之间共享概念、模型和方法构建数学平台。 本论文的主要工作如下: 1)发展了一种基于基本模式分析的全新路径敲除算法来改善对于代谢网络的冗余程度的评估。利用四个具有不同结构特征的案例网络,证明了新的算法可以克服之前方法的不足,并为针对性攻击条件下的冗余度变化提供了更多的信息。 2)将mean-field分析推广到了细胞代谢的路径分析之中,并严格地证明了多酶敲除并不总是可以比单酶敲除带来更多关于系统强韧性和冗余度的信息。 3)大肠杆菌和人类肝细胞的氨基酸代谢网络以及人类红细胞的中心代谢网络被使用新的路径敲除算法进行了分析。分析结果提供了关于这些实际代谢网络的新的认识。 4)使用网络环境分析探索和比较了22个自然生态系统和5个城市系统中的氮循环网络。我们的工作集中在:a)探索城市环境中的氮循环网络间接效应的次要地位;和b)验证一个已经被科学界公认的假说,那就是城市环境中的生地化循环与其自然情况完全不同,并且更为复杂。进一步讨论了城市氮循环网络的调控策略。 5)为了给新涌现的人与自然耦合系统提供新的模型,我们探索了生化和生地化循环之间的严格相似性。基于此,提出了一个网络生物学框架来对城市氮代谢网络进行重构,并通过引入网络生物学中的基于约束的分析方法来研究重构所获得的城市代谢网络结构。 6)为了应对人与自然耦合系统中突现的高度复杂的氮循环模式,开发了一种新的软件,提供了三个主要的功能:a)对于传统的半经验数据收集模型进行了严格的数理重构;b)计算机辅助的数据收集和模型灵敏度分析;和c)自动化的氮循环网络的生成、可视化和网络环境分析。


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