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一种新的代谢模型来自热力学和组学

所有生物都是由碳制成的,糖(例如葡萄糖)是碳的非常常见的来源。因此,大多数细胞擅长吃糖,利用酶通过一系列化学反应将糖消化,这些化学反应将最初的糖转化为多种细胞成分,包括氨基酸,DNA组成部分和脂肪。因为它们帮助这些糖代谢反应有效进行,所以这些酶称为生物催化剂。

考虑到所有酶对生命本身至关重要,科学家建立了一些数学模型来描述细胞如何利用酶转化糖。此类模型已成功用于改善第二代生物燃料的生产或确定疟疾的药物靶标,但它们并未考虑到产生催化所有这些化学反应的酶的代谢“成本”。

解释这种现象(称为“表达”)是描述许多其他现象(包括啤酒发酵和癌细胞生长)的关键。但是,所有这些首先取决于对表达机制的准确建模。

现在,EPFL的Vassily Hatzimanikatis教授和他实验室的博士生Pierre Salvy开发了一种数学模型,该模型可以有效地模拟活细胞中酶的表达及其相关的代谢成本。该模型被称为“表达和热力学通量”的ETFL,并通过兼顾生物化学和热力学(描述能量在系统中如何流动的一组物理化学定律)来得出其准确性。将其与优化领域的数学工具结合起来,研究人员能够极大地提高模型预测的准确性。

Salvy说:“这种新陈代谢,表达和热力学的整合是第一次,并且比以前没有热力学的最新模型快10到100倍。”

为了进一步提高其预测能力,设计ETFL模型时要考虑到通过“组学”的广泛领域进行的各种测量,这些测量可以测量细胞的特征,例如基因表达,蛋白质谱等。用于改善生化产品的生产,或准确预测癌细胞的代谢方式。” Salvy说。“它也可以为个性化医学的应用打开大门。”

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