连接黑箱生长模型与基因组尺度代谢模型的热力学框架

基因组尺度代谢模型能够对细胞代谢进行详细的机制性描述，而黑箱生长模型则利用少量有效参数刻画生理行为。然而，这两个建模尺度之间的定量关系仍不明确。在本研究中，我们建立了一个热力学框架，将黑箱生长模型与受热力学约束的基因组尺度代谢模型相连接。通过将黑箱模型参数与基因组尺度代谢模型推导出的吉布斯能耗散速率联系起来，我们证明了在保留热力学基础的同时，可以从详细的代谢网络中获得粗粒化的生理学描述。我们在大肠杆菌和酵母中验证了该框架，结果表明，所得到的黑箱模型能够再现实验观察到的关键生理行为，包括生长动力学、生物量产率和溢流代谢。我们的研究结果表明，黑箱生长模型与基因组尺度代谢模型通过共享的热力学约束相互关联，揭示了不同代谢描述层次之间一致的热力学基础。该框架为将详细代谢网络与简单黑箱生长模型相整合提供了一种通用方法，并能够实现细胞代谢的高效多尺度建模。

全基因组尺度代谢模型能够对细胞代谢提供详细的机制性描述，而黑箱生长模型则利用少量有效参数刻画生理行为。然而，这两个建模尺度之间的定量关系仍不明确。本研究构建了一个热力学框架，将黑箱生长模型与受热力学约束的全基因组尺度代谢模型联系起来。通过将黑箱模型参数与由全基因组尺度代谢模型推导出的吉布斯能耗散速率相关联，我们证明了在保留热力学基础的同时，可以从详细的代谢网络中获得粗粒化的生理描述。我们在大肠杆菌和酵母中验证了该框架，结果表明，所得黑箱模型能够再现实验观察到的关键生理行为，包括生长动力学、生物量产率和溢流代谢。我们的研究结果表明，黑箱生长模型与全基因组尺度代谢模型通过共同的热力学约束相互联系，揭示了不同代谢描述层级之间一致的热力学基础。该框架为将详细代谢网络与简单黑箱生长模型相结合提供了一种通用方法，并实现了细胞代谢的高效多尺度建模。

📄 原文链接：https://www.biorxiv.org/content/10.64898/2026.09.14.751451v1?rss=1

🏷️ 热力学约束 基因组尺度代谢模型 黑箱生长模型 多尺度建模 吉布斯能耗散 溢流代谢