生命系统的动力学与热力学定量研究

As the researches in living systems approach to quantitative sciences, the concepts and methods in physics, such as statistic physics, nonlinear dynamics and stochastic dynamics plays an even important role in the studies. We propose to apply the concepts and methods of statistic physics, nonlinear dynamics and stochastic dynamics in the quantitative study of protein and cell regulatory networks, trying to reveal the general rules that govern the biological regulatory networks. The focus of the study will be concentrated on the energy dissipation of the protein and cell regulatory networks and the nonlinear dynamic feature，the stability and the bifurcation of the control systems. The results of the study will be used as theoretical guide in our other studies, such as protein structure and thermodynamic feature, theoretical design in synthetic biology, and dynamic mechanism of oncogenic mutations. The main research includes (1) study the 3-D structures and energy states typical protein complexes, search for the mechanism and thermodynamic principle of protein machines; (2) study the relation between the function and energy dissipation of the biological networks, search for the thermodynamic energy limits on the function of biological regulatory networks; (3) study the dynamics of the apoptosis network of mammalian cells, search for the link between dynamic bifurcation and oncogenic mutation spectrum.

随着生命系统的研究日益向定量科学迈进，物理学的研究方法与工具，如统计物理，非线性动力学，随机过程动力学在系统生物学的研究中起到越来越重要的作用。申请者计划从统计物理、非线性动力学、随机动力学的理论、观点和研究方法出发，对蛋白质与细胞调控网络系统作定量研究，探索生物控制系统的定量规律。研究重点集中在蛋白质与细胞网络调控系统的能量耗散以及系统在相空间的流型特征、稳定性与动力学分岔。并将研究结果应用于指导本研究组相关领域的研究工作，如蛋白质结构与热力学特征，合成生物学理论设计，癌细胞基因突变谱的解释和预测，等。主要内容包括：（1）研究解析典型蛋白质复合体的三维结构与能量状态，探索蛋白质机器工作的机制与热力学原理；（2）研究生物调控网络功能与能量耗散之间的定量关系，探索完成不同生物功能的热力学能量限制；（3）研究哺乳动物细胞凋亡动力学控制系统，确立该系统中不同动力学分岔现象与癌变机理之间的关系。

本项目的核心是从统计物理及非线性动力学角度对蛋白质与细胞控制网络的动力学和热力学行为在分子水平上进行系统的、定量的研究。其核心在于充分利用分子生物学、化学、物理、数学、非线性动力学的手段对研究对象进行系统理论分析，并在理论分析与数值模拟的指导下，进行相关分子生物学实验。研究主要聚焦在以下几个方面：（1）生物调控网络功能与能量耗散之间的定量关系；（2）生物调控网络的动力学机制与人工合成；（3）应用微流体技术对生物调控网络的动力学行为做定量研究。.本研究组按照项目计划书所规定的研究内容开展了系统的研究工作，经过四年时间的努力，全面完成了计划书所规定的任务。在一些研究方向上取得了突破性进展。例如：应用统计物理的方法，研究了生物节律系统的环境敏感性与能量耗散之间的关系，发现生物节律的环境敏感性正比于能量耗散量普适性规律，工作发表在Nature Communications 上。通过建立一个简单模型，研究生物节律同步性对能量耗散的要求。发现了生物振荡器同步性与能量耗散之间的普适性关系，此工作发表在Nature Physics上。在实验研究中，定量观测了大肠杆菌在多引诱剂情况下的运动规律，并在理论上解释了此系统的时空动力学行为，工作发表在PNAS上。在利用冷冻电镜技术研究蛋白质机器动力学与热力学方面，建立了蓝藻菌Kai蛋白不同亚稳态的能量图谱。发现Kai系统亚稳态的能量分布可以用Ising模型进行拟合。在DNA数据储存上做出创新性研究。开发了大片段嵌合插入细菌基因组，将数据存入细菌体内存储的新思路。.在项目执行期间本研究组共发表与项目任务书有关SCI论文8篇，包括： Nature Communications 等世界顶级期刊。项目参加人员受邀在国际各类会议上做邀请报告4次。