7、基于环境的R. Thomas框架：细胞代谢调控网络建模的高效策略

基于环境的R. Thomas框架：细胞代谢调控网络建模的高效策略

在生物系统建模领域，如何高效地计算与环境兼容的模型一直是一个关键问题。本文将深入探讨一种基于环境的建模方法，通过细胞代谢调控网络的案例研究，展示其在提高计算效率方面的显著优势。

1. 方法对比：传统与“分治”策略

在处理调控网络模型计算时，存在两种不同的方法。传统方法试图一次性计算所有环境下的全局模型，但这种方法在面对复杂网络时，计算量会呈指数级增长，导致计算时间过长。例如，在一个简单的调控网络示例中，计算两个环境兼容模型时，传统方法的计算时间是另一种方法的105倍。

而“分治”策略则是将每个环境独立处理，在指数级缩小的搜索空间中进行计算，从而大幅减少对决策程序的调用次数。这种方法在处理小型网络时就已展现出明显的时间优势，随着网络规模的增大，其优势将更加显著。

2. 细胞代谢调控网络案例

细胞代谢是活细胞内发生的一系列化学反应，涉及相互交织的生化反应系列，即代谢途径，这些过程受到精细的调控，使细胞能够生长、繁殖并维持其结构。基于健康细胞的经典生物学知识，我们已经提出了一个代谢调控的定性调控网络。

2.1 考虑环境因素的代谢调控

代谢过程依赖于营养物质的可用性，为了将这种依赖关系纳入模型，我们引入了四种营养物质：糖、氨基酸、脂质和氧气。这些营养物质的可用性水平会影响细胞的代谢调控。例如，在有氧气供应时，细胞会使用氧化磷酸化途径；而在没有氧气供应时，则会使用发酵途径。

我们用环境变量来表示这些营养物质的供应情况，如GLC（糖）、AA（氨基酸）、exO2（氧气）和FA（脂肪酸），并在影响图中进行了体现。同时，通过表