生物网络动力学功能的设计原理的若干研究

生命活动可以看成是复杂生物网络所实现的动力学功能。如何解读生物界丰富多样、高度复杂的生物网络的共性，寻找跨物种的具有普遍意义的网络拓扑结构、动力学特点和功能之间的关系是系统生物学这门新兴交叉学科面临的主要问题。本项目以特定生物动力学功能或生理学行为为目标，根据功能对相应的生物网络拓扑结构及其动力学的约束，寻找实现该生物功能的核心网络结构，建立"功能-网络结构"映射关系，从动力学上研究功能生物网络的设计原理。本项目拟研究的生物功能包括信号传导网络中响应曲线的校准功能、细胞信号探测系统对外界信号的倍数变化的检测功能、胞内检测系统对重要蛋白或代谢产物的平均值和噪声强度的检测功能、噪声的来源和噪声过滤功能，以及信息传递优化功能网络的设计原理等。以此为基础，本项目将以统一的方式研究跨生物组织的实际生物功能网络，并对部分功能用合成生物学的方法从实验上实现。

复杂的生物学功能和生命活动背后的机制是通过由生物蛋白和核酸等相互作用形成的复杂生物网络的动力学来实现的。如何解读生物界丰富多样、高度复杂的生物网络的共性，寻找跨物种的具有普遍意义的网络拓扑结构、动力学特点和功能之间的关系是系统生物学这门新兴交叉学科面临的主要问题。本项目以特定生物动力学功能或生理学行为为目标，根据功能对相应的生物网络拓扑结构及其动力学的约束，寻找实现该生物功能的核心网络结构，建立"功能- 网络结构"映射关系，从动力学上研究功能生物网络的设计原理。本项目研究的问题包括信号传导网络中响应曲线的校准、具有温度补偿的振荡网络的核心原理、网络振荡的准确性和自由能的消耗、生物干细胞分化的理论模型。以此为基础，本项目还考察了具有剂量响应校准特性和温度补偿特性的实际生物功能网络，对其功能和结构之间的关系做了深入分析。