11月5日，美國科學(xué)院院刊（PNAS）在線發(fā)表了我校數(shù)學(xué)學(xué)院張家軍副教授和周天壽教授的最新研究論文“Markovian Approaches to Modeling Intracellular Reaction Processes with Molecular Memory”。張家軍副教授為論文的第一作者，周天壽教授為論文的通訊作者，中山大學(xué)為唯一作者單位。
該研究解決了生化反應(yīng)系統(tǒng)（包括生物分子網(wǎng)絡(luò)）研究領(lǐng)域中的一個長期未解決的問題，即如何建模和分析帶有分子記憶的生化反應(yīng)系統(tǒng)。為此，作者創(chuàng)新性地建立起一套實用理論，其核心是靜態(tài)廣義化學(xué)主方程，它把一個非馬氏問題轉(zhuǎn)化為一個馬氏問題，并由此揭示出非馬氏生化反應(yīng)系統(tǒng)的本質(zhì)特性。
非馬氏生化反應(yīng)系統(tǒng)可有效轉(zhuǎn)化為馬氏生化反應(yīng)系統(tǒng)進(jìn)行建模與分析
長期以來，生化反應(yīng)系統(tǒng)的建模與分析依賴于馬氏假設(shè)，即反應(yīng)物的隨機運動不受以前狀態(tài)的影響，而僅受當(dāng)前狀態(tài)的影響。然而，這種無記憶的假設(shè)是非常理想化的，實際的反應(yīng)系統(tǒng)是帶有記憶的，例如許多生物學(xué)實驗已經(jīng)證實：分子記憶廣泛存在于基因表達(dá)調(diào)控系統(tǒng)中，并對基因表達(dá)水平有重要影響。由于分子記憶能夠?qū)е路邱R氏反應(yīng)運動學(xué)，以及由于經(jīng)典的馬氏理論不能夠直接應(yīng)用于非馬氏反應(yīng)過程的建模與分析，從而導(dǎo)致許多理論挑戰(zhàn)。經(jīng)過對非馬氏生化反應(yīng)系統(tǒng)的多年研究，作者建立起一套實用的理論與方法，主要包括靜態(tài)廣義化學(xué)主方程（stationary generalized chemical master equation）、靜態(tài)廣義福克-普朗克方程（stationary generalized Fokker-Planck equation）和靜態(tài)廣義線性噪聲逼近（generalized linear noise approximation），揭示出：盡管各個反應(yīng)物的暫態(tài)動力學(xué)可能是非馬氏的，但生化反應(yīng)系統(tǒng)的整個微觀變量隨時間演化最后都變成馬氏變量，不管反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)淙绾螐?fù)雜以及不管特征化分子記憶的等待時間分布的形式如何復(fù)雜。這三種一般性格式開辟了研究復(fù)雜生物分子系統(tǒng)的新方向，具有寬廣的應(yīng)用前景，特別是能夠幫助人們發(fā)現(xiàn)新的生物學(xué)知識。
該研究工作得到了國家自然科學(xué)基金、廣州市科技計劃項目、廣東省重點領(lǐng)域研發(fā)計劃項目，以及中山大學(xué)廣東省計算科學(xué)重點實驗室的大力支持。
