生物网络的可计算建模

Through billions of years’ evolution, biological systems can execute various functions precisely and robustly. At the molecular and cellular levels, biological functions are carried out by networks of genes and proteins. There is an intimate relationship between and among the network’s topology, dynamics and function. How to characterize this relationship and to find the principles within are key questions for understanding the complex phenomena of life. More and more evidence show that there are general design principles that are quantifiable in biological networks. Searching for design principles has been a main subject in systems biology. The proposed project builds upon years of work by the applicants in this area, expanding into several new frontiers. It constructs and optimizes computational models, combining data from experiments, to investigate the design principles and dynamics properties of several representative networks. A focal point will be on the networks of cell fate transformation and applications in stem cell differentiation and reprogramming.

经过长期的进化，生物系统可以精确地、鲁棒地执行各种生物功能。在分子和细胞水平上，生物功能是通过基因和蛋白质的相互作用,即生物调控网络来完成的。网络的拓扑结构、动力学性质与功能之间有着紧密的联系。如何定量刻画这种关系，找出其中的规律，是我们理解复杂生命现象的关键。许多证据表明，生物网络中存在一些普适性的可定量的设计原理。这一方向已经成为国际上系统生物学研究的热点。本项目在申请人多年工作的基础上，利用可计算建模、算法优化并结合实验数据来寻找有代表性的生物网络中的设计原理及动力学规律，并将其应用于干细胞这一重要生物问题，力争在这一领域取得突破。

本项目围绕重大研究计划中研究基础算法与可计算建模这一主线，聚焦生物网络中的重要科学问题。项目针对典型的功能模块，如适应性、振荡、以及最近广受关注的转录因子动力学解码等，揭示了其各自核心网络的设计原理。为研究复杂生物网络的普适性、定量规律及原理提供理论与技术依据。同时，项目还进一步针对多个真实的复杂生物网络利用不同尺度的粗粒化、不同算法进行了深入研究，并结合试验，阐明了多个生物系统的动态变化规律和重要生物过程发生机制，为面向重要科学领域的可计算建模提供理论依据和实验指导。..我们集中研究生物网络的结构和功能关系，鲁棒性、网络拓扑性质、优化网络设计、量化整体性质、动力学过程等几个方面。探索出生物网络的设计原理及生物网络可计算建模、定量地描述生物分子及细胞间相互作用及其复杂系统动态变化过程的新技术和新方法。