生物网络动力学中非平衡态理论的若干研究

More and more mathematicians and physicists are drawn into researching system biology, the frontier of biology, to uncover the secret of life. They found that biochemical reactions in the cells are involved in the environment which is full of large fluctuations and stochastic noise. They established the theory framework of stochastic thermodynamics by introducing the stochastic theory into the nonlinear and non-equilibrium physics. By applying the stochastic thermodynamics theory into the research on biological network modules, researchers find the general design principles of biological networks and they believe they are on the way to describing the essence of life. This project focuses on the research of self-regulated gene networks as well as phosphorylation-dephosphorylation cycles, three node network topologies and the role of noise in the actual biological networks. We plan to start from the volume-independent chemical master equation (VCME), to simulate the effective potential landscape of the biochemical systems in non-equilibrium steady state (NESS) and to calculate the stationary non-zero probabilistic flux. We tend to study the global characteristics of the biological functional modules, such as global stability, phase transition of NESS and so on, and analyze the influence and the role of stochastic noise when performing the biological functions, under the theory framework of potential landscape and non-zero probabilistic curl flux.

生命的奥秘吸引着越来越多的数理学家参与到系统生物学前沿领域的研究中。研究者认为，细胞是一个充满随机噪声和强烈涨落的多层次的有序结构，细胞中的生化反应体系可看作远离平衡态的系统。通过建立适用于非线性非平衡态系统的随机热力学理论，并将其应用于对生物网络功能模块的研究，研究者不断揭示出存在于生物网络中的普适性设计原理，进而探索生命的本质。本项目以基因调控网络中的自反馈回路和信号转导通路中的磷酸化-去磷酸化环路、若干典型的三节点相互作用网络结构以及实际生物网络中的噪声影响和作用等为研究对象，计划从生化反应的随机概率描述- - 含体积参数的化学反应主方程出发，通过模拟计算生化反应系统的有效势景观和稳态概率流，来解决生物网络功能模块的全局稳定性、非平衡相变等动力学问题，进而分析噪声在执行生物学功能中的影响和作用。

近年来，与生命科学相关的非平衡系统的问题研究，无论从理论还是从实验上都发展迅速。本项目主要研究了充满随机噪声和涨落的细胞内部，基因调控网络的转录与翻译相关的功能模块设计的普适性问题，以及基于实验研究小RNA介导的实际生物网络的噪声响应问题；还有利用我们发展的非平衡稳态流理论研究与生化反应震荡相关的生物网络的全局稳定性和非平衡相变问题。通过研究我们发现，在原核生物调控中，同一操纵子控制的不同基因的表达水平，会受到从转录过程传递的噪声影响，但是翻译速率的改变可以最大程度地调节不同基因的表达水平；催化式小RNA在介导多个靶标mRNA调控即四节点调控模块中，呈现出比单靶标mRNA调控即三节点调控模块更丰富的生物功能，如开光特性和串扰能力；能量泵入在Schnakenberg模型中引起的生化震荡反应，实际上是一种由非零环流引起的非平衡相变，该相变的本质是引起反应体系的时间对称性破缺。本项目的研究都是面向解决有趣的生命科学背后的作用机理，并试图给出比较普适性的结论。