生物系統(tǒng)理論

數(shù)學(xué)模型在系統(tǒng)生物學(xué)上非常時(shí)尚,但模型和定律之間千差萬別.當(dāng)研究人員建立模型時(shí),要對(duì)具體的實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行假設(shè),并必須選寫諸如速率常數(shù)及其他參數(shù)的數(shù)值.相比之下,一個(gè)定律可以適用于任意的分子復(fù)合物,如具有眾多成分的生化網(wǎng)絡(luò).在最近的一項(xiàng)研究中,Shinar和 Feinberg得到了一個(gè)定律,能夠顯示具有眾多成分的生化網(wǎng)絡(luò)在什么時(shí)候會(huì)出現(xiàn)“絕對(duì)濃度穩(wěn)鍵性”.

穩(wěn)健性在生物學(xué)上是一個(gè)廣泛的實(shí)驗(yàn)概念,但卻因缺乏定義而臭名昭著.對(duì)Shinar和Feinberg得出的定律而言,絕對(duì)濃度穩(wěn)健性意味著生化網(wǎng)絡(luò)中任一成分的濃度在網(wǎng)絡(luò)任何正向穩(wěn)定的狀態(tài)下都保持精確的一致.也就是說不管其他情況如何,任何一個(gè)組分都是這樣.這個(gè)穩(wěn)健的濃度值僅決定于網(wǎng)絡(luò)中成分的參數(shù),而不是成分?jǐn)?shù)量.值得關(guān)注的是,Shinar和Feinberg發(fā)現(xiàn)了一個(gè)只受生化反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)決定的條件,在這條件下,就會(huì)產(chǎn)生絕對(duì)濃度穩(wěn)健性的現(xiàn)象.

什么使得數(shù)學(xué)家還有生物學(xué)家都對(duì)這個(gè)定律感興趣？因?yàn)樗鼭饪s并闡明了以往對(duì)模式細(xì)菌Escherichia coli中雙功能酶的研究.這個(gè)EnvZOmpR雙組分滲透調(diào)節(jié)物和乙醛酸支路調(diào)節(jié)子(該調(diào)節(jié)子允許用于生物合成的二碳糖如乙酸通過)均使用雙功能酶.在各種情況下,由實(shí)驗(yàn)證明了,這個(gè)生化網(wǎng)絡(luò)中的任一關(guān)鍵組分的濃度在網(wǎng)絡(luò)組分的總量發(fā)生變化時(shí),其依然具有高度的穩(wěn)健性.Shinar和Feinberg的這個(gè)定律解釋了一些生物化學(xué)上看似合理的假設(shè)的原因.巧合的是,在Shinar和Feinberg提出他們的定律后不久,人們?cè)诠偶?xì)菌中發(fā)現(xiàn)了一個(gè)新的雙功能代謝酶(1,6-二磷酸醛縮酶/磷酸酶).這種酶存在于生命的所有階段中.因此,該定律為科學(xué)家了解“雙功能”可能帶來的優(yōu)勢(shì)提供了一個(gè)新起點(diǎn).

梁丹濤 譯自《Science》,July 13:581~582(2010)