細胞內雙穩系統性質和行為的介觀層次研究

《細胞內雙穩系統性質和行為的介觀層次研究》是依託北京化工大學，由許立達擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：細胞內雙穩系統性質和行為的介觀層次研究
• 依託單位：北京化工大學
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：許立達

項目摘要

對介觀層次上系統性質和行為的研究，是理解生物系統尤其是細胞內生物過程的動力學機制的關鍵。已有研究表明，系統的動力學性質和行為在介觀層次與巨觀層次上存在許多差異。在介觀層次上，系統的空間結構會對系統的動力學性質和行為有重要影響，但相關研究還沒有深入展開。因此，本項目將引入介觀系統的空間結構，對隨機反應擴散模擬算法進行改進和完善。然後，以細胞內重要的雙穩行為為切入點，用數值模擬的方法研究系統體積、維度、擴散係數等空間因素對系統雙穩行為的影響機制，揭示介觀層次上生化反應系統的雙穩性質顯著存在的時空條件。並對系統狀態的駐留時間分布和分子團聚現象的規模分布進行統計研究，探索雙穩系統在分支點附近的統計規律，特別是探討正反饋和雙負反饋迴路機制產生的雙穩行為的時空特徵的差異性。本項目的研究，將加深我們對介觀層次上雙穩系統的行為和性質的認識，並為理解細胞內生化反應過程發生的時空條件提供新的視角。

結題摘要

介觀層次的描述方法已經越來越廣泛被用於研究實際的生化反應系統。已有研究表明，細胞內的許多生化反應過程存在大量不可避免的噪聲，介觀尺度上的系統噪聲會使得具有相同基因的細胞變現出複雜的多樣性，進而對生化過程的發生起到積極的作用。因此重新考量這類介觀層次上的系統行為就成為一個重要的科學問題。已有實驗和理論研究表明，在介觀層次與巨觀層次上系統的振盪和雙穩行為都表現出明顯差異。但已有工作主要著眼於單一的整體系統，並未具體討論生化反應系統空間不均勻性對其行為的影響。而已有實驗表明，生化反應發生的隨機性和反應系統的群體結構（包括系統體積、形狀、空間分布等），都是細胞內生物過程中噪聲的主要來源。我們所面對的實際的細胞內生物過程更與其所在的空間結構密切相關。所以，本項目引入系統的空間結構，詳細討論了空間結構因素對介觀層次上生化反應系統自組織行為的影響，以及自組織臨界特徵的變化情況。我們首先通過定義距離函式，討論了系統體積、維度、擴散係數等空間因素對系統穩定性的影響。實驗結果表明，對於不存在空間異質性的系統，隨著系統體積的增大，雙穩和振盪性質越來越清晰，系統狀態逐漸趨於巨觀確定性方程得到的結果。當系統具有非均勻的空間結構時，由於受到空間各點的漲落的影響，存在一個最合適的體積範圍，使系統湧現出顯著的雙穩或振盪現象，而且該體積範圍與系統維度和擴散係數等因素密切相關。然後對空間不均勻的生化反應系統，我們研究了幾種具有反饋迴路的典型系統在分支點附近的行為特徵和統計規律。在介觀層次上，系統在分支點附近的行為特徵還未有深入研究，對這些特徵和規律的研究有可能反過來用於衡量介觀系統的臨界行為。我們的統計結果顯示，由正反饋迴路和雙向負反饋迴路產生的雙穩系統，其分子聚團規模分布均為指數分布；而由正反饋迴路和負反饋迴路產生的振盪系統，其分子聚團規模均服從冪律分布。本項目的研究結果有助於加深對介觀系統自組織臨界性質的理解。