论生物电算法：理论计算机科学在发育生物学核心问题中的新颖应用

细胞生物电描述了一个生物现象，即活组织中的细胞通过不同浓度的带电离子产生并维持电压梯度模式。越来越多的研究表明，生物电模式代表了一个古老系统，在引导许多重要的发育过程（包括组织再生、肿瘤抑制和胚胎发生）中发挥关键作用。理解高层生物电模式与低层生化过程之间的关系也可能催生强大的合成生物学新形式。该领域一个关键的开放问题是：一群仅通过简单配体结合与离子流相互之间及与细胞外环境交互的细胞，如何计算非平凡模式并执行非平凡的信息处理任务。解决该问题的标准方法是将给定的生物电网络建模为微分方程组，然后利用模拟技术探索其行为。在本文中，我们提出采用计算的方法。更具体地，我们提出细胞生物电模型（CBM），一种捕捉细胞与其环境间生物电交互主要能力与约束的新计算模型。我们利用该模型研究细胞生物电中的若干重要主题，包括对称破缺与信息处理。在其他结果中，我们描述并分析了一种基本的生物电策略，可高效地将任意细胞网络稳定为最大独立集（已知在果蝇神经系统发育中起作用的结构），并证明我们模型中的细胞在其处理初始电压势中所编码信息的能力上是图灵完备的。