[論文レビュー] Self-organization and fractality created by gluconeogenesis in the metabolic process

V. I. Grytsay|arXiv (Cornell University)|Jul 14, 2017

Microbial Metabolic Engineering and Bioproduction参考文献 12被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、細胞代謝におけるグリコリシスとグリコネオジェネシスの相互作用が自己組織化およびフラクタル的ダイナミクスを生じることを示す数学的モデルを提案する。これらの相反する代謝経路を結合された消費的系としてモデル化することで、研究は、自己組織化とフラクタル的ダイナミクスを示す、新たな複雑なパターンと長距離相関を明らかにした。これは、グリコネオジェネシスが内在的な代謝的複雑性と安定性を生成する中心的役割を果たしていることを示している。

ABSTRACT

Within a mathematical model, the process of interaction of the metabolic processes such as glycolysis and gluconeogenesis is studied. As a result of the running of two opposite processes in a cell, the conditions for their interaction and the self-organization in a single dissipative system are created.

研究の動機と目的

• 相反する代謝経路、すなわちグリコリシスとグリコネオジェネシスが、細胞系において複雑で秩序ある振る舞いをどのように生成するかを調査すること。
• このような相互作用が、代謝ネットワークにおいて自己組織化およびフラクタル的ダイナミクスを生じる可能性があるかどうかを特定すること。
• 最小限の代謝モデルにおいて、長距離相関と非線形ダイナミクスの出現を分析すること。
• グリコネオジェネシスが、系のダイナミクス的挙動を安定化または形作る役割を果たすかどうかを評価すること。
• 非線形ダイナミクスの原則を通じて、細胞代謝における複雑性の起源を理解することに貢献すること。

提案手法

• グリコリシスとグリコネオジェネシスの生化学的反応を記述する、結合された非線形常微分方程式系を用いてモデル化する。
• フィードバック制御と酵素キネティクスを組み込むことで、二つの経路間のダイナミックな相互作用を模擬する。
• 系を消費的非平衡系として扱い、自己組織化およびアトラクタ形成の分析を可能にする。
• フラクタル特性は、相関次元とリャプノフ指数を用いて評価し、カオス的またはフラクタル的行動の有無を検出する。
• 数値シミュレーションを実施し、さまざまな条件下での時間的ダイナミクス、安定性、パターン形成を探索する。
• 位相空間軌道と時系列を分析することで、長距離相関と複雑な時間的構造を同定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 グリコリシスとグリコネオジェネシスの相互作用は、自己組織化された代謝的パターンを生じるか？
• RQ2 グリコネオジェネシスは、代謝系におけるフラクタル的またはカオス的ダイナミクスの出現にどのような役割を果たすか？
• RQ3 結合された代謝経路は、複雑性を示す長距離相関を示すか？
• RQ4 どのような条件下で、系は規則的から複雑またはフラクタル的行動へと遷移するか？
• RQ5 モデル内の非線形フィードバック機構は、消費的構造の形成にどのように寄与するか？

主な発見

• グリコリシスとグリコネオジェネシスの結合系は、位相空間において安定した複雑なアトラクタを形成する、自己組織化を示す。
• 相関次元が非整数であることが確認され、時間的系列および位相軌道にフラクタル的構造が出現することが判明した。
• 特定のパrameter領域において正のリャプノフ指数を示し、カオス的ダイナミクスを示している。
• 長距離相関が検出され、代謝調節におけるスケール不変性の存在を示唆している。
• グリコネオジェネシスは、系の安定化と非周期的で複雑なダイナミクスの出現を可能にする主要因であると特定された。
• モデルは、外部からの周期的駆動がなくても、代謝ネットワークが内在的な複雑性を生成できることを示した。