36、体外KaiABC时钟数学建模与模拟的见解

体外KaiABC时钟数学建模与模拟的见解

1. 引言

数学建模为深入理解体外蓝藻KaiABC时钟的功能提供了重要视角。自2009年首次对相关建模进行概述以来，众多研究团队不断推进该领域的发展。近期的一些数学模型，如Paijmans等人（2017）的工作，全面考虑了CI和CII结构域特定的ATP - ADP动态与磷酸化形式转变的耦合，同时还考虑了六聚体的异质性和变构状态转换。而作者参与的Mori等人（2018）的模型，则研究了磷酸化形式依赖的差异亲和力（PDDA）的潜在作用，即随着六聚体磷酸化程度的增加，KaiA的结合能力降低。

数学建模在生物学研究中虽有时会受到实验人员的质疑，但对于解释生化子系统的复杂动态而言，它比简单的卡通描述或口头解释更具说服力。KaiABC系统的数学模型涵盖了从现象学的简化模型到复杂精细的模型，这些模型考虑了分子相互作用的组合排列状态空间，并结合了实验对系统不同方面动态的约束。

数学模型和模拟的核心作用之一是弥合自然快速分子动力学时间尺度与昼夜节律时间尺度之间的巨大差距。例如，即使进行基于第一原理的非相对论量子模拟，也只能提供纳秒级的构象变化信息，而这与昼夜节律周期（约24小时）相差约14个数量级。通过数学模型，有望为满足昼夜节律振荡器定义特征（能够在无外部输入的情况下自我维持振荡、可被外部信号同步且能补偿温度或其他外部扰动）的各种振荡机制提供合理依据。

此外，KaiABC时钟是目前已知唯一可以在细胞外由简单成分重构的昼夜节律时钟，因此有大量的数学建模和实验/理论结合的论文对其进行了定量研究。在最初发现体外KaiABC振荡器的两年内，群体磷酸化形式循环就得到了阐明，并且Rust等人（2007）发表了相对简单且受实验约束的磷酸化形式时钟动