The Regulation of Cellular Systems

شکی نیست که امروزه زیست شناسی از ریاضیات سود زیادی می برد. به طور خاص، زیست شناسی سلولی، علاوه بر پویایی جمعیت، زمینه ای است که در آن تکنیک های مدل سازی ریاضی به طور گسترده مورد استفاده قرار می گیرد. این با تعداد زیادی از مقالات مجلات و مقالات کنگره منتشر شده هر ساله در مورد پویایی فرآیندهای پیچیده سلولی منعکس می شود. این امر، در میان دیگران، برای تجزیه و تحلیل کنترل متابولیک، که در آن تعداد مقالات در زمینه مبانی نظری و کاربردهای تجربی برای حدود 15 سال افزایش یافته است، صدق می کند. با کمال تعجب، مونوگراف ها و کتاب های درسی که با مدل سازی سیستم های متابولیک سروکار دارند، هنوز به طور استثنایی نادر هستند. ما فکر می کنیم که اکنون زمان پر کردن این شکاف فرا رسیده است. این مونوگراف جنبه‌های مختلفی از توصیف ریاضی سیستم‌های آنزیمی، مانند آنالیز استوکیومتری، سینتیک آنزیم، شبیه‌سازی دینامیکی، آنالیز کنترل متابولیک و بهینه‌سازی تکاملی را پوشش می‌دهد. ما بر این باوریم که در حال حاضر، اینها رویکردهای اصلی هستند که سیستم های متابولیک را می توان از نظر ریاضی تجزیه و تحلیل کرد. اگرچه آنالیز استوکیومتری و سینتیک آنزیم‌ها زمینه‌های کلاسیکی هستند که به ابتدای قرن ما بازمی‌گردند، پیشرفت‌های جالب اخیر مانند شناسایی مسیرهای سنتز بیوشیمیایی اولیه و قوانین نرخ برای وضعیت کانال‌گذاری متابولیک وجود دارد که ما ارزش گنجاندن آنها را در نظر گرفتیم. بهینه‌سازی تکاملی سیستم‌های متابولیک یک زمینه نسبتاً جدید با چشم‌اندازهای امیدوارکننده است. هدف آن تبیین ساختار و عملکرد این سیستم ها از دیدگاه تکاملی است.

There is no doubt that nowadays, biology benefits greatly from mathematics. In particular, cellular biology is, besides population dynamics, a field where tech­ niques of mathematical modeling are widely used. This is reflected by the large number of journal articles and congress proceedings published every year on the dynamics of complex cellular processes. This applies, among others, to metabolic control analysis, where the number of articles on theoretical fundamentals and experimental applications has increased for about 15 years. Surprisingly, mono­ graphs and textbooks dealing with the modeling of metabolic systems are still exceptionally rare. We think that now time is ripe to fill this gap. This monograph covers various aspects of the mathematical description of enzymatic systems, such as stoichiometric analysis, enzyme kinetics, dynamical simulation, metabolic control analysis, and evolutionary optimization. We believe that, at present, these are the main approaches by which metabolic systems can be analyzed in mathematical terms. Although stoichiometric analysis and enzyme kinetics are classical fields tracing back to the beginning of our century, there are intriguing recent developments such as detection of elementary biochemical syn­ thesis routes and rate laws for the situation of metabolic channeling, which we have considered worth being included. Evolutionary optimization of metabolic systems is a rather new field with promising prospects. Its goal is to elucidate the structure and functions of these systems from an evolutionary viewpoint.