具有混杂特性的基因调控网络动力学行为分析与控制

The actual gene regulatory networks usually have some typical hybrid characteristics including multi-type nodes, multiple regulation mechanisms, multi-scale structure, diversity evolution, etc. These hybrid characteristics have important influence on the performance of the gene regulatory network. The project will study the evolution and control of the diverse dynamic behaviors of the gene regulatory network with hybrid characteristics. The main contents are summarized below. The project will establish the gene regulatory networks based on the analysis of the hybrid characteristics. The internal mechanism of the generation of diverse dynamic behaviors will be analyzed. The existence conditions of the diverse dynamic behaviors including multi-stability, multi-periodicity, multi-chaos will be established. The essential relationships between the diverse dynamic behaviors and network topology, network parameters, initial conditions will be revealed. The dynamic evolution laws between the diverse dynamic behaviors and network noise, network delay will be investigated. The control of the gene regulatory network is studied by designing effective control methods for improving the network performance. The research of the project will be conducive to the comprehensive understanding of the structure and function of gene regulatory network, and the profound interpretation of the phenomenon of biodiversity. The theoretical and methodological basis for exploring the diverse evolution law of the regulatory network will be established. The project will also contribute to the development of control theory of the gene regulatory network.

实际的生物基因调控网络往往具有多类型节点、多调控机制、多尺度结构、多样性演化等典型混杂特性，这些混杂特性对网络性能有极其重要的影响。本项目针对基因调控网络的混杂特性，研究网络动力学多样性演化及控制问题。具体研究包括：分析基因调控网络的混杂特性，建立网络动力学模型；研究多样性动力学行为产生的内在机制，建立多稳定、多周期、多混沌等多样性动力学行为的存在性条件，揭示基因调控网络多样性动力学行为与网络拓扑结构、网络特征参数、网络初始条件之间的内在联系；研究多样性动力学行为与噪声、时延等网络因素的动态演化规律；设计有效控制策略对网络多样性动力学行为进行合理控制，优化网络整体性能。本项目研究将有助于全面认识清楚基因调控网络的结构和功能，从本质上揭示生物多样性现象；为探索基因调控网络多样性演化规律建立理论和方法基础，发展基因调控网络动力学控制理论。

为了深刻揭示生物多样性背后所蕴藏的基因调控规律和机制，本项目从实际的生物基因调控网络出发，在充分考虑基因调控网络普遍存在的混杂特性的基础上，研究基因调控网络的多样性动力学演化分析与控制问题，获得了如下主要研究结果成果：(1) 建立了具有不同动力学行为的基因模体，并分析得出了模体结构与其性能之间的关系；分析了基因调控网络的网络结构和混杂特性，建立了具有时滞和不同耦合结构的基因调控网络模型；(2) 研究了不同耦合结构下的基因调控网络的动力学行为，建立了网络稳定性、多稳定性、分岔及同步的存在性条件，分析了网络时滞对网络动力学行为的影响，网络时滞的存在使得网络极易从稳态经局部分岔过渡到周期状态；(3) 研究了网络的簇同步控制，设计了相关的非周期自适应间歇控制和事件驱动控制策略，实现了基因调控网络的分簇同步，基于理论分析和数值验证建立了网络簇同步的充分条件。另外，本项目还在复杂系统的多样性动力学行为分析、控制及应用方面取得相关结果，包括给出了多共存吸引子的存在性及其吸引域、建立了基于被动控制的混沌控制结论、给出基于混沌动力学的随机发生器和图像加密算法设计等。项目研究成果有助于为探索基因调控网络多样性演化规律建立理论和方法基础，发展基因调控网络动力学控制理论。在国内外刊物和会议上发表论文共16篇，其中SCI期刊论文13篇。