生化学システム理論

生化学システム理論は、常微分方程式(ODE)に基づいた生化学システムの数学的モデリングフレームワークであり、生化学プロセスはシステムの変数のべき乗展開を使用して表現されます。

この枠組みは生化学システム理論として知られるようになり、1960年代からマイケル・サヴァジョー、エバーハルト・フォイトらによって生化学プロセスのシステム分析のために発展してきた。[ 1 ]コーニッシュ＝ボーデン（2007）によれば、彼らは「これを代謝制御の一般理論とみなし、代謝制御分析とフラックス指向理論の両方を特別なケースとして含んでいた」。[ 2 ]

表現

種のダイナミクスは次のような構造の微分方程式で表されます。

dX私dt＝∑jμ私j⋅γj∏けXけfjけ{\displaystyle {\frac {dX_{i}}{dt}}=\sum _{j}\mu _{ij}\cdot \gamma _{j}\prod _{k}X_{k}^{f_{jk}}\,}

ここで、X i はモデルのn d個の変数（代謝物濃度、タンパク質濃度、または遺伝子発現レベル）のいずれかを表します。jは、種のダイナミクスに影響を与えるn f 個の生化学プロセスを表します。一方、ij（化学量論係数）、j（速度定数）、およびf jk（運動学的順序）は、システムのダイナミクスを定義する2つの異なる種類のパラメータです。 μ{\displaystyle \mu}γ{\displaystyle \gamma}

生化学システムで用いられる他の常微分方程式モデルと比較したべき乗法則モデルの主な違いは、速度論的順序が非整数値になり得ることです。阻害をモデル化する場合、速度論的順序は負の値を取ることさえ可能です。このように、べき乗法則モデルは生化学システムの非線形性を再現する上でより高い柔軟性を備えています。

べき乗法則展開を使用するモデルは、過去 35 年間、代謝ネットワーク、遺伝子ネットワーク、最近では細胞シグナル伝達を含むさまざまな種類の生化学システムをモデル化および分析するために使用されてきました。

参照

参考文献

文学

書籍:

  • MA Savageau,生化学システム分析：分子生物学における機能と設計の研究、Reading、MA、Addison–Wesley、1976年。
  • EO Voit（編）「正準非線形モデリング。複雑性を理解するためのSシステムアプローチ」、Van Nostrand Reinhold、ニューヨーク、1991年。
  • EO Voit著『生化学システムの計算解析：生化学者と分子生物学者のための実践ガイド』ケンブリッジ大学出版局、ケンブリッジ、英国、2000年。
  • NV Torres および EO Voit、「代謝工学における経路分析および最適化」、ケンブリッジ大学出版局、ケンブリッジ、英国、2002 年。

科学論文:

  • MA Savageau,生化学システム分析：I. 成分酵素反応の速度法則のいくつかの数学的特性、J. Theor. Biol. 25, pp. 365–369, 1969.
  • MA Savageau、「酵素触媒反応のフラクタル運動論の開発と生化学経路の設計への影響」、Biosystems 47(1-2)、pp.9–36、1998年。
  • MR Atkinson他「べき乗法則モデルを用いた遺伝子回路の設計」、Cell 113、pp. 597–607、2003年。
  • F. Alvarez-Vasquezら、「Saccharomyces cerevisiaeにおけるスフィンゴ脂質代謝モデル化のシミュレーションと検証」、Nature 27、pp. 433(7024)、pp. 425–30、2005年。
  • J. Vera et al.,シグナル伝達経路のべき乗法則モデル、Cellular Signalling doi : 10.1016/j.cellsig.2007.01.029、2007年。
  • Eberhart O. Voit、「生化学システム理論の応用」、2006年。
  • [1]カリフォルニア大学デービス校サヴェージオー研究室
  • [2]ジョージア工科大学のボイト研究室
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