[논문 리뷰] Self-organization and fractality created by gluconeogenesis in the metabolic process

V. I. Grytsay|arXiv (Cornell University)|2017. 07. 14.

Microbial Metabolic Engineering and Bioproduction참고 문헌 12인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 세포 대사에서 당해리와 당생성의 상호작용이 자가조직화와 프랙탈 역학을 유도함을 수학적 모델로 보여준다. 이 두 대립적 대사 경로를 결합된 소산계로 모델링함으로써, 연구는 부상하는 복잡한 패턴과 장거리 시간 상관관계를 드러내며, 당생성이 내재된 대사 복잡성과 안정성을 생성하는 데 핵심적인 역할을 한다고 밝힌다.

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.

연구 동기 및 목표

• 대립적 대사 경로인 당해리와 당생성이 세포 시스템에서 복잡하고 조직화된 행동을 어떻게 생성하는지 조사하기.
• 이러한 상호작용이 대사 네트워크에서 자가조직화 및 프랙탈 유사 역학을 유도할 수 있는지 규명하기.
• 최소한의 대사 모델에서 장거리 시간 상관관계와 비선형 역학의 부상 과정 분석하기.
• 당생성이 시스템의 동적 행동을 안정화하거나 형상화하는 데 어떤 역할을 하는지 평가하기.
• 비선형 역학 원리에 기반해 세포 대사의 복잡성 기원을 이해하는 데 기여하기.

제안 방법

• 당해리와 당생성의 생화학 반응을 기술하는 결합된 비선형 상미분 방정식 시스템을 사용한다.
• 피드백 조절과 효소 동역학을 통합하여 두 경로 간의 동적 상호작용을 시뮬레이션한다.
• 이 시스템은 소산 비평형계로 간주되어 자가조직화와 애트랙터 형성 분석이 가능하다.
• 프랙탈 특성을 평가하기 위해 상관차원과 리ャ플루프 지수를 사용하여 혼돈 또는 프랙탈 유사 행동을 탐지한다.
• 수치적 시뮬레이션을 통해 다양한 조건에서 시간적 역학, 안정성, 패턴 형성 탐색한다.
• 상태공간 궤적과 시간 시리즈를 분석하여 장거리 상관관계와 복잡한 시간적 구조를 식별한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 당해리와 당생성 간의 상호작용이 자가조직화 대사 패턴을 유도할 수 있는가?
• RQ2 당생성은 대사 시스템에서 프랙탈 또는 혼돈 역학의 부상에 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 결합된 대사 경로는 복잡성을 시사하는 장거리 시간 상관관계를 나타내는가?
• RQ4 시스템이 정규적 행동에서 복잡하거나 프랙탈 행동으로 전이되는 조건은 무엇인가?
• RQ5 모델의 비선형 피드백 메커니즘이 소산 구조 형성에 어떻게 기여하는가?

주요 결과

• 당해리와 당생성의 결합된 시스템은 단단한 복잡한 애트랙터를 형성하며, 상태공간에서 자가조직화를 보인다.
• 시간 시리즈와 상태공간 궤적에서 프랙탈 유사 구조가 부상하며, 비정수 상관차원으로 확인된다.
• 일부 매개변수 영역에서 양의 리ャ플루프 지수를 나타내어 혼돈 역학을 보인다.
• 장거리 시간 상관관계가 탐지되어 대사 조절에서 척도 불변 행동의 존재를 시사한다.
• 당생성이 시스템을 안정화시키고 비정기적 복잡한 동역학의 부상에 핵심적인 역할을 한다고 규명된다.
• 모델은 외부 정기적 외란 없이도 대사 네트워크가 내재된 복잡성을 생성할 수 있음을 보여준다.