生活的数学：
活细胞中的代谢控制

细胞代谢是一种复杂的化学方法网络，将营养物转化为能量和分子以存活。实验和数学技术的进步正在铺平道路的定量描述，这些方法如何调节自己以及如何为生物技术人工控制。迪戈博士A.Oyarzún（爱丁堡大学）使用计算模型来了解新陈代谢，并利用尖端合成生物学和医疗保健技术。

在最基本的层面，生活是化学。每秒每秒在活细胞中同时发生数十亿化学反应，这可能涉及蛋白质和DNA等复杂的大分子，以及更小的和更多的流动分子，其在细胞和均匀的细胞膜内可被自由漫游。这些化学反应不会在分离中发生：为了将细胞存活，茁壮成长，繁殖和繁殖，对各个反应发生的如何以及当发生的方式是必不可少的。

细胞代谢是一个极其复杂和强大的网络，其中的各个亚基(蛋白质和代谢物)相互作用，以保持整个网络的工作，并保证在不利的环境条件下生存。了解这一极其复杂的机制的细节似乎远远超出了传统的分析方法所能理解的范围，但这种情况将会改变。

对生活的整体看法
系统生物学是一种多学科研究领域，适用数学和计算方法来模拟复杂的生物系统。它在过去二十年中获得了重大重要性，作为研究生物系统的组分（例如，细胞中的蛋白质和代谢物）和定义这些相互作用的功能来确定这些相互作用确定的功能系统，其行为及其对外部扰动的响应。在其核心，系统生物学通过将关于其成分之间的相互作用的信息集成来描述生物系统的紧急性质。At variance with traditional reductionist approaches, which focus on defining and identifying the elementary constituents of large interacting systems, systems biology aims to provide a rigorous framework for the interpretation of a system’s function and behaviour from the quantitative observation of multiple components simultaneously and from the integration of these data with mathematical models.

细胞新陈代谢的定量模型
几十年来，细胞新陈代谢基本上被视为与蜂窝机械的其余部分分离的过程。近年来，这种传统观点受到挑战的许多研究，突出了新陈代谢与其他蜂窝功能之间的相互作用。例如，现在已经确定了代谢调节在疾病中起重要作用。例如，心血管疾病和癌症如癌症的条件与代谢误导相关，病原体可以利用自己的代谢调节系统来逃避药物治疗方法。

新陈代谢是一种令人难以置信的复杂网络，用于将细胞存活的生存。

Oyarzún博士一直在开创系统生物学在活细胞中代谢调节的应用。他的作品旨在了解自然系统中新陈代谢和基因调控之间的相互作用。这是一种蜂窝控制策略，这些策略在物种中被广泛保守，并使强大的稳态适应能够波动环境。可以解决各种代谢控制系统，以阐明监管架构对代谢表型的作用，包括对下一代抗生素和合成生物学相关的途径。

这项工作的长期野心是制定复杂的监管网络如何将细胞的代谢反应塑造到环境的预测理论。这样的理论是了解细胞如何响应外部扰动而自我调节的关键，包括例如病原体或抗生素治疗的影响。

工程与合成生物学
Oyarzún博士的研究采用计算模型来解析电池中代谢机械的复杂性，并了解其功能如何适应变化环境的原则。他的方法是基于数学，工程和生物学的整合，并旨在提供对寿命的定量描述，作为复杂生物网络的新鲜特性，维持在多种情况下和各种外部刺激下。可以利用这种知识来使遗传修饰如何影响细胞响应，然后可以用来用于控制细胞行为并使其适应人类目的，例如用于产生新的治疗药物。

Oyarzún的兴趣之一涉及细菌中代谢调节的机制。细菌利用它们的新陈代谢来消耗来自环境的营养素，这为合成其存活和繁殖所需的新分子提供能量和原料。根据其环境的条件，特别是对营养成分的可用性，细菌需要调整其新陈代谢。这是通过复杂的反馈机制Web完成的，可检测营养成分的变化并相应地修改新陈代谢。

为了阐明这种有趣的反馈效应，并了解细菌是如何自我适应不断变化的环境的，Oyarzún博士率先使用了控制理论，这是一门从工程界借鉴来的学科，其目标是开发算法来鲁棒控制从制造业到飞机控制和通信系统的几乎所有技术中的动态过程。他运用这种方法来理解自然界中不同的调控结构是如何使微生物在环境冲击中生存下来的。Oyarzún博士解决这一问题的方法的新颖之处在于，他用数学方法实现了从纯粹的实验方法几乎不可能得到的东西:将相互交织的调节结构和控制新陈代谢的调节参数分离开来。这项工作的目标是了解微生物如何自我适应新陈代谢以确保生存。

微生物代谢可以通过基因工程来控制，从而生产治疗药物。

生物技术
培养细胞新陈代谢及其监管是一种雄心勃勃，远远达到基本科学的观点，但它也可以在快速发展地区的迅速发展地区具有重要意义。生物技术中的目前至关重要的挑战是如何实现各种目标的稳健，可预测和经济可持续的过程，如治疗药物的合成，新材料的开发和食品的生产。Oyarzún博士及其合作者开发的定量生物学方法正在为实现这一目标提供关键贡献。特别地，细胞代谢的鲁棒和定量模型的可用性可以为人工生物系统的设计铺平道路，其中细胞代谢被重新编程以提供定制功能。本技术的有希望的应用是微生物细胞工厂，利用微生物来产生治疗药物和各种其他化学品。

数学和医学:精准医疗
Oyarzún博士开发的数学方法即使在基础科学和生物技术外，也可能存在深远的影响。精密药物，其神圣的格拉勒是将合适的药物递送到合适的患者和合适的时间，是一个领域，这可能从基于系统生物学，数学和工程集成的方法中受益匪浅。筛选技术（如DNA测序）和图像分析算法现在提供了医生能够区分健康和患病的个体并鉴定疾病进展中的阶段。在这种情况下，Oyarzún博士一直在探索从网络理论中的应用来分析癌症OMICS数据集并识别生物标志物和新药物目标。这是开发数据集成和分析新数学工具的多项努力的一部分，这可能会将精确药物转换为世界人口广泛段的主流工具。