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新的数学模型可以有效地模拟活细胞中酶的表达

所有的生物都是由碳构成的,而糖,例如葡萄糖,是碳的常见来源。因此,大多数细胞都擅长吃糖,它们利用酶通过一系列化学反应来消化糖,这些化学反应将最初的糖转化为各种细胞成分,包括氨基酸、DNA构建块和脂肪。因为它们帮助这些糖代谢反应有效地进行,这些酶被称为生物催化剂。

考虑到所有酶对生命本身的重要性,科学家已经建立了几个数学模型来描述细胞如何利用酶来转化糖。例如,这些模型已被成功地用于改善第二代生物燃料生产或识别疟疾药物靶标,但它们没有考虑到生产催化所有这些化学反应的酶的代谢“成本”。

解释这种被称为“表达”的现象是描述许多其他现象的关键,包括啤酒发酵和癌细胞的生长。但这一切首先取决于对表达机制的精确建模。

现在,EPFL的Vassily Hatzimanikatis教授和他实验室的博士生Pierre Salvy已经开发了一个数学模型,可以有效地模拟活细胞中酶的表达,以及相关的代谢成本。该模型被称为ETFL,意为“表达和热力学通量”,它将生物化学和热力学——描述系统中能量流动的一套物理化学定律——考虑在内,从而得出其准确性。结合优化领域的数学工具,研究人员能够大大提高模型预测的准确性。

Salvy说:“新陈代谢、表达和热力学的结合是第一次,比以前的最先进的模型快10到100倍,而以前的模型没有热力学。”

为了进一步提高其预测能力,ETFL模型的设计考虑了通过大量的“组学”领域进行的各种测量,“组学”测量细胞的特征,如基因表达、蛋白质谱等。

我们的算法可以用来提高生化产品的产量,或准确预测癌细胞的代谢。它还可以为个性化医疗的应用打开大门。”

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