第1章 绪论

1.1 基因开关合成网络系统的随机共振动力学研究背景及意义

随着生物技术的不断发展，携带生命密码的基因片段及蛋白质等生化分子操作调控的研究已经成为热门方向。基因片段的编码展现出生物体的生命体征。对基因片段实现可调控性，可以达到对人生命体征的调控。对基因片段的合理剪切拼接甚至通过人工创造的方法，也可以构建生物体具有某些特性的体征。合成生物学就是通过操控基因片段、蛋白质及mRNA等生化分子来合成新生命体征的一门科学。而以基因调控网络为基础与核心的合成生物学更是蕴含着巨大的创造空间和极强的操作性，能够产生大量的实际应用价值，吸引着越来越多学者的关注和研究[1][2]。

由于基因和蛋白质之间相互连接的方式极其复杂，直接研究基因网络较为困难，从而使合成基因网络的研究需求取得了十足的发展。合成复杂的基因网络需要从研究简单基因网络开始，了解其特性并进行实现。因此，对简单基因网络回路进行研究是合成复杂基因网络研究的基本。合成基因网络是从自然网络中分解出来的基因网络模块，能够减少自然基因网络的复杂性，便于简单有效地进行科学理论和人工实验的分析研究[3]。这对于解决生命自然科学中的一些实际问题具有重要的意义，如基因治疗、生物技术、干细胞分化与发育、组织器官及有机整体形成等[3-5]。在自然机体内，具有基因开关的基因网络在时钟模块调节机体生命活动中起到了重要的作用，并且合成基因开关的研究是合成基因调控网络研究中重要的部分。特别是在大肠杆菌生物体中提取出来的一类基因开关合成网络系统，除在以上方面发挥着重要作用外，在信息存储与编码和生物节律调控等方面也起着举足轻重的作用[3]。

在生物体外部的实际环境中，往往存在着大量错综复杂的随机涨落波动。它们能够积极有力地促进基因蛋白质进行各项生化反应，如生化反应中基因蛋白质的翻译/转录/聚合等过程产生的各种随机波动、生物体自身的周期节律、瞬态化学诱导、热传导、蛋白质振荡、蛋白质间的相互作用等[6-11]。在对外部环境研究的过程中，外部的随机涨落波动分布通常假定为高斯分布。而这只是真实随机波动的一种理想化状态假定，用于描述在固定值附近连续微小变化的随机波动，并不能刻画系统中具有大幅度涨落的随机波动。实际中，基因开关合成网络系统常常处于非均匀的外界刺激的生物环境中。此外，为了能够保持整个系统的稳定性和动态平衡性或占据有利的生物环境，环境中的随机波动会出现剧烈涨落或刺激等情况，由此产生的随机扰动往往呈现出较大幅度跳跃甚至具有脉冲效应[12]。这种尖峰脉冲状波动具有典型的非高斯特征，用高斯分布来描述这种涨落不符合真实情况。从而，考虑用非高斯分布来进行描述，如非高斯Lévy噪声等。非高斯Lévy噪声针对不同类型的随机涨落刻画了具有不同非高斯特征的分布。Lévy噪声过程的增量具有独立平稳性和无限可分性，包含连续扩散和无限个大跳跃项，能够用来描述连续型随机因素和跳跃型随机因素共同干扰的情形[13-21]。

基因开关合成网络系统受到外部随机噪声扰动时，产生的一系列非线性随机动力学行为往往能够揭示基因开关合成网络系统的本质特征、基本性质和运动规律。基因开关合成网络系统具有双稳结构，这种双稳性反映了系统自身固有的基本特征，是系统控制的重要性能指标之一。在外部随机噪声作用下，基因开关合成网络系统的蛋白质浓度会受双稳态作用在稳定状态之间不断切换，从而，引发学者考虑外部随机噪声对系统状态切换的促进作用及其背后的动力学机制[22]。人们在研究非线性系统时发现，在随机噪声和信号的共同作用下，随机共振动力学机制是系统随参数变化而呈现非单调变化的最优协作机制。最初，人们一直认为随机噪声对系统只是产生消极的减弱作用。但是，通过随机共振机制，发现随机噪声能够产生积极的促进作用，可以增强弱信号对系统的调制能力，使得微弱的输入产生巨大的输出，从而能够有效地促进系统分析、生物信息检测与调控、生物信息有效传输等[23-26]。在随机共振研究过程中，根据一些特定的情况，随机共振的概念得到广义扩展。在非线性系统中，不可能经常面临来自外界的周期信号。在非线性系统中，没有受到周期信号作用而只有噪声激励时，同样也能引起一种类似随机共振现象的非单调变化最优协作机制，称为相干共振[27][28]。相干共振在生物非线性系统中能够最优地促进或抑制生化反应、生物信号探测、信息传输等，并能有效地利用随机噪声激励来进行自身的各种生物体活动。逻辑随机共振是随机共振机制在逻辑信息研究中的扩展。除在随机共振方面的积极作用外，逻辑随机共振还可以通过控制系统构造非线性逻辑门，使得随机噪声在信息计算和传递中起到积极作用。逻辑随机共振在具有一定有机体功能的合成基因调控网络中有着重要的应用价值，如重大疾病的基因调控、基因治疗及脑科学研究中的类脑人工智能等[29][30]。在基因调控网络中，逻辑随机共振机制可以将随机噪声的能量转化为网络信息在计算或传递过程中所损失的能量。同时，针对逻辑随机共振，随机噪声可以根据不同的逻辑操作成为一种逻辑模式选择器，增强基因开关合成网络系统中逻辑操作、信息计算和信息传递的有效性[29-32]。

综上所述，基因开关合成网络系统在非高斯Lévy噪声作用下随机共振的相关动力学机制，在基因功能表达、基因调控、信息计算和传输等方面起着至关重要的作用，且在实际中有着广泛的应用价值[3-5][29]。因此，有必要对Lévy噪声作用下基因开关合成网络系统中的随机共振动力学机制进行研究。