非线性科学在系统生物学中的若干应用

物理学家将生命系统看成是一个复杂的非线性自组织系统。随着生命科学日益向定量科学迈进，从非线性动力学角度定量研究生命中的控制现象已经成为系统生物学的前沿科学问题。申请者计划从非线性动力学的理论、观点和研究方法出发，对细胞控制网络系统作定量研究。研究目的是探索与把握生物控制系统的基本动力学规律。研究重点集中在细胞网络控制系统在相空间的流型、稳定性与动力学分岔。并将研究结果应用于指导相关领域的研究工作，如合成生物学理论设计，癌细胞基因突变谱的解释和预测，等。研究内容包括：（1）对芽殖酵母细胞的细胞周期控制网络进行理论与实验研究，找到该系统状态稳定性与结构稳定性的动力学原因；（2）对哺乳动物细胞的细胞凋亡控制系统作理论研究，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；（3）对大肠杆菌的化学及热趋向性控制网络进行理论与实验研究，探索控制网络的拓扑结构与动力学特性对其功能的影响。

本项目的主要内容是从非线性动力学的理论、观点和研究方法出发，对细胞控制网络系统作定量研究。具体内容为：（1）对芽殖酵母细胞的细胞周期控制网络进行理论与实验研究，找到该系统状态稳定性与结构稳定性的动力学原因；（2）对哺乳动物细胞的细胞凋亡控制系统作理论研究，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；（3）对大肠杆菌的化学及热趋向性控制网络进行理论与实验研究，探索控制网络的拓扑结构与动力学特性对其功能的影响。.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，经过三年时间的努力，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，在对牙殖酵母细胞周期调控网络研究中，发现系统的全局动力学稳定性是由系统网络结构导致的一系列有序的鞍-结点分叉决定，在鞍-结分叉附近由于临界效应引起的轨道“鬼魂效应”保证了系统的全局稳定性；在对哺乳动物细胞的细胞凋亡控制系统作理论研究中，利用非线性动力学分析方法对p53调控网络主导的细胞凋亡通路作动力学分叉研究，发现绝大部分致癌基因突变对应于分叉点的敏感参数,从而提出了基因突变致癌的动力学原因；在对大肠杆菌的化学趋向性控制网络进行研究中，发现细菌有限的适应速率导致了菌群在高频下反常行为，并提出了新的细菌群体运动的平均场模型，定量地揭示了实验现象。.在项目执行期间本研究组发表于项目任务书有关论文26篇（见附件1，发表文章），其中SCI论文21篇。影响因子大于5的论文7篇，包括： Nature Communications 1篇，PNAS 1篇，PRL3篇； PLoS Computational Biology 2篇。项目参加人员受邀在国际各类会议上作邀请报告13次。