相互作用代谢网络的自旋玻璃理论

我们将相互作用细胞的代谢置于统计力学框架中，同时考虑每个细胞的实际表型能力及其与邻细胞的相互作用。反应通量将成为高维自旋矢量的分量，其值受代谢的化学计量与能量需求约束。在此图景下，寻找种群的表型状态等价于搜索无序自旋模型的平衡态。我们针对任意代谢网络与相互作用给出了该问题的一般解。我们将此解应用于一个简化代谢模型及一个复杂代谢网络——大肠杆菌（E. coli）的中心核心，并证明选择性压力与相互作用的共同作用定义了一个复杂的表型空间。细胞可能专门生产或消耗代谢物，在种群层面上互补，这由具有多个极小值的平衡相空间所描述，正如自旋玻璃模型那样。