[论文解读] 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 3

一句话总结

本文提出一个数学模型，证明糖酵解与糖异生在细胞代谢中的相互作用可引发自组织与分形动力学。通过将这两种相互对抗的代谢途径建模为耦合的耗散系统，研究揭示了涌现的复杂模式与长程时间相关性，表明糖异生在生成内在代谢复杂性与稳定性方面起着核心作用。

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.

研究动机与目标

• 研究相互对抗的代谢途径——糖酵解与糖异生——如何相互作用，以在细胞系统中产生复杂且有序的行为。
• 确定此类相互作用是否能在代谢网络中引发自组织与类似分形的动力学。
• 分析在最小代谢模型中长程时间相关性与非线性动力学的涌现。
• 评估糖异生在稳定或塑造系统动态行为方面的作用。
• 通过非线性动力学原理，为理解细胞代谢复杂性的起源做出贡献。

提出的方法

• 使用一组耦合的非线性常微分方程来模拟糖酵解与糖异生的生化反应。
• 模型整合了反馈调节与酶动力学，以模拟两条途径之间的动态相互作用。
• 将系统视为耗散的非平衡系统，以分析自组织与吸引子形成。
• 通过相关维数与李雅普诺夫指数评估分形特性，以检测混沌或类似分形的行为。
• 进行数值模拟，以探索在不同条件下的时间动力学、稳定性与模式形成。
• 分析相空间轨迹与时间序列，以识别长程相关性与复杂的时间结构。

实验结果

研究问题

• RQ1 糖酵解与糖异生的相互作用能否导致自组织的代谢模式？
• RQ2 糖异生在代谢系统中分形或混沌动力学的出现过程中起什么作用？
• RQ3 耦合的代谢途径是否表现出指示复杂性的长程时间相关性？
• RQ4 在何种条件下，系统会从规则行为转变为复杂或分形行为？
• RQ5 模型中的非线性反馈机制如何促进耗散结构的形成？

主要发现

• 糖酵解与糖异生的耦合系统在相空间中表现出自组织，形成稳定且复杂的吸引子。
• 系统的时间序列与相轨迹中出现类似分形的结构，相关维数非整数，证实了该现象。
• 系统在某些参数范围内表现出正的李雅普诺夫指数，表明存在混沌动力学。
• 检测到长程时间相关性，表明代谢调控中存在标度不变行为。
• 糖异生被确定为稳定系统并促进复杂非周期性动力学涌现的关键驱动力。
• 该模型表明，代谢网络可在无外部周期性驱动的情况下生成内在复杂性。