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在内部参数波动和外部噪声干扰下的基因调控网络鲁棒控制器的设计

朱云涛  
【摘要】:一个好的基因调控网络,就是要有足够的鲁棒性,即有足够的能力来抵抗基因突变、外部环境的变化对细胞功能发挥的影响,有足够的能力来过滤和衰减各种随机噪声,使得基因的表达正常进行。因此,如何设计一个好的基因调控网络来抵抗更多的内部参数波动和外部噪声是系统生物学的一个很重要的课题。由于基因调控网络的复杂性以及各种调控机制相互交叉共同发挥作用,所以,到目前为止,仍然没有一个好的方法来揭示基因调控网络是如何衰减分子噪声以保证基因性状完整遗传和放大分子噪声以实现物种的多样化。 本文借助于随机能稳性和随机H∞滤波理论,主要从下面三点对基因调控网络进行研究: 第一:将由内部波动产生的内部噪声看成依赖于状态的随机过程,基因调控网络容忍内部分子噪声的鲁棒性由随机系统的Lyapunov稳定性理论给出;基因调控网络衰减和放大外部噪声将用H∞滤波理论来评估,即将基因调控网络看做一个类滤波器,那么基因调控网络将容许低频率的信号通过和过滤高频率的信号从而达到调控的目的。并且,从线性基因调控网络推广到了非线性基因调控网络,分别给出了对应的理论。 第二:借助随机最优控制的有关理论,给出了内部参数波动下的基因调控网络在最优输入下的最优性能指标和在外部噪声干扰下的基因调控网络在最坏干扰下的最优控制。 第三:对一个经典的基因调控网络模型建立了随机微分方程的动态模型,然后利用MATLAB对基因调控网络进行了仿真模拟。仿真图和理论预测的结果相一致,验证了理论的有效性和正确性。


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