具有保证的生物化学反应网络热带抽象化

生化分子通过修饰和结合反应相互作用，产生组合数量的 possible 生化物种。物种浓度的时间演化通常由耦合常微分方程（ODE）系统描述。然而，此类高维非线性方程组的分析在计算上往往代价高昂，甚至在实践中难以实现。降低此类模型的主要挑战在于，如何在不求解原模型的情况下，给出简化模型的解与原模型的解之间关系的保证。在本文中，我们设计并测试了一种针对生化反应系统 ODE 模型的近似方法，其中保证是我们的主要要求。借鉴热带分析技术，利用每个物种 ODE 各项之间的主导关系，通过忽略被主导项来简化原模型。由于主导子系统在系统动力学过程中可能随物种间主导关系的变化而改变，因此存在若干可能的模式。于是，仅由主导子系统构成的较简单模型可被组装为混合、分段光滑模型，以近似初始系统的行为。通过将受主导项的检测与符号界限传播相结合，我们展示了如何用较简单模型的组合来近似原模型，这些简单模型由常微分方程构成，为初始模型物种的浓度提供随时间变化的下界和上界。我们的方法为化学物种浓度提供了可靠的区间界限，因此可用于评估基于热带化的生化还原系统 ODE 模型简化启发式的忠实性。该方法在多个案例研究中进行了测试。