细胞内双稳系统性质和行为的介观层次研究

The research on the property and behavior of mesoscopic systems plays a key role in understanding the dynamical mechanism of biological systems, especially of the intracellular biochemical processes. Some studies have highlighted the stark contrast of biochemical dynamics in mesoscopic versus macroscopic systems. On the mesoscale, the spatial structure always has a significant effect on the system behavior, which has not been discussed in detail. In this project, we will introduce the spatial structure into the mesoscopic model, and improve the stochastic simulation algorithm for the reaction-diffusion systems. To reveal the spatial-temporal condition of the notable existence of bistability in mesoscopic biochemical system, we will study the mechanism how the spatial factors, such as the volume, dimension and diffusion coefficient of the system, affect the bistability, using numerical simulations. Further more, we will calculate and analyze the dwell time distribution and the cluster size distribution, in order to explore the statistic rules of bistable systems near the bifurcation points, and to approach the differences of statistic features between the bistable systems produced by a positive feedback or a double negative feedback. The results of our project can not only improve the recognization of the dynamical property and behavior of the mesoscopic bistable systems, but also provide a new insight into understanding the spatial-temporal conditions for the intracellular biochemical processes.

对介观层次上系统性质和行为的研究，是理解生物系统尤其是细胞内生物过程的动力学机制的关键。已有研究表明，系统的动力学性质和行为在介观层次与宏观层次上存在许多差异。在介观层次上，系统的空间结构会对系统的动力学性质和行为有重要影响，但相关研究还没有深入展开。因此，本项目将引入介观系统的空间结构，对随机反应扩散模拟算法进行改进和完善。然后，以细胞内重要的双稳行为为切入点，用数值模拟的方法研究系统体积、维度、扩散系数等空间因素对系统双稳行为的影响机制，揭示介观层次上生化反应系统的双稳性质显著存在的时空条件。并对系统状态的驻留时间分布和分子团聚现象的规模分布进行统计研究，探索双稳系统在分支点附近的统计规律，特别是探讨正反馈和双负反馈回路机制产生的双稳行为的时空特征的差异性。本项目的研究，将加深我们对介观层次上双稳系统的行为和性质的认识，并为理解细胞内生化反应过程发生的时空条件提供新的视角。

介观层次的描述方法已经越来越广泛被用于研究实际的生化反应系统。已有研究表明，细胞内的许多生化反应过程存在大量不可避免的噪声，介观尺度上的系统噪声会使得具有相同基因的细胞变现出复杂的多样性，进而对生化过程的发生起到积极的作用。因此重新考量这类介观层次上的系统行为就成为一个重要的科学问题。. 已有实验和理论研究表明，在介观层次与宏观层次上系统的振荡和双稳行为都表现出明显差异。但已有工作主要着眼于单一的整体系统，并未具体讨论生化反应系统空间不均匀性对其行为的影响。而已有实验表明，生化反应发生的随机性和反应系统的群体结构（包括系统体积、形状、空间分布等），都是细胞内生物过程中噪声的主要来源。我们所面对的实际的细胞内生物过程更与其所在的空间结构密切相关。所以，本项目引入系统的空间结构，详细讨论了空间结构因素对介观层次上生化反应系统自组织行为的影响，以及自组织临界特征的变化情况。. 我们首先通过定义距离函数，讨论了系统体积、维度、扩散系数等空间因素对系统稳定性的影响。实验结果表明，对于不存在空间异质性的系统，随着系统体积的增大，双稳和振荡性质越来越清晰，系统状态逐渐趋于宏观确定性方程得到的结果。当系统具有非均匀的空间结构时，由于受到空间各点的涨落的影响，存在一个最合适的体积范围，使系统涌现出显著的双稳或振荡现象，而且该体积范围与系统维度和扩散系数等因素密切相关。. 然后对空间不均匀的生化反应系统，我们研究了几种具有反馈回路的典型系统在分支点附近的行为特征和统计规律。在介观层次上，系统在分支点附近的行为特征还未有深入研究，对这些特征和规律的研究有可能反过来用于衡量介观系统的临界行为。我们的统计结果显示，由正反馈回路和双向负反馈回路产生的双稳系统，其分子聚团规模分布均为指数分布；而由正反馈回路和负反馈回路产生的振荡系统，其分子聚团规模均服从幂律分布。. 本项目的研究结果有助于加深对介观系统自组织临界性质的理解。