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活性氧（ROS）因其高反应性和较短的半衰期而无处不在，却难以捉摸，因此模拟对于获得机制性认识至关重要。传统的ROS建模一直局限于小规模常微分方程（ODE）框架，并受到动力学参数匮乏的限制。在本研究中，我们利用COBRA和CPLEX，将ROS动力学重新表述为通量平衡分析（FBA）优化问题：在大肠杆菌iJO1366基因组尺度模型的基础上，增补84个自发氧化反应、14个氧化还原反应和9个解毒反应，并以三种ROS为研究对象：羟基自由基、超氧化物和过氧化氢（H₂O₂）。我们还将氧化生物学的五条基本规律形式化为混合整数线性约束，从而能够动态纳入反应速率常数，并使复杂行为从第一性原理出发自然涌现。其中一种现象是H₂O₂胁迫下的双峰杀伤模式，该现象于40多年前首次被提出，但直到现在才首次通过计算得以重现。我们利用GapSplit对模型进行随机采样，模拟风险分散行为，并将所得解划分为生长者、持留者和非存活者，从而观察到这一现象。在我们的模拟中，这种杀伤效应完全源于代谢网络拓扑，是在随机探索不同代谢构型的过程中产生的。当中心碳代谢达到其处理ROS的代谢能力上限时，稳态守恒会对解毒过程产生随机偏向，从而导致著名的存活恢复阶段。因此，恢复阶段属于模式1代谢，其特征是具有剩余的解毒能力，并由大肠杆菌中的Ahp反应承担。模式2不具备剩余的解毒能力。我们预计，这可能是一条此前被忽视的普适性原理。
代谢中的随机性：氧化应激反应表型是网络拓扑的涌现结果 | bioRxiv
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代谢中的随机性：氧化应激反应表型是网络拓扑的涌现结果
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Roger Larken Chang
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https://doi.org/10.64898/2026.10.23.761362
Aleksandar Mihnev
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活性氧（ROS）普遍存在，但由于其反应活性高、半衰期短，难以捕捉，因此模拟对于获得机制层面的认识至关重要。传统的 ROS 建模局限于规模较小的常微分方程（ODE）框架，且受动力学参数匮乏的制约。在此，我们利用 COBRA 和 CPLEX，将 ROS 动力学重新表述为一个基于通量平衡分析（FBA）的优化问题，并在大肠杆菌全基因组尺度模型 iJO1366 的基础上，加入 84 种自发氧化反应、14 种氧化还原反应以及】【。
9种解毒反应，分别针对三类活性氧（ROS）：羟自由基、超氧化物和过氧化氢（H₂O₂）。我们还将氧化生物学的五条基本规律形式化为混合整数线性约束，从而能够动态纳入反应速率常数，并使复杂行为从第一性原理中涌现出来。其中一种现象是H₂O₂胁迫下的双峰式杀伤模式，该现象于40多年前首次被提出，而直到现在才首次通过计算得到再现。我们使用GapSplit对模型进行随机采样，模拟风险分散策略，并将各种解划分为生长者、持留者和未存活者。在我们的模拟中，这种杀伤效应完全源于代谢网络拓扑，是细胞随机探索替代性代谢构型的结果。当中心碳代谢达到其处理ROS的代谢能力上限时，稳态守恒会对解毒过程产生随机偏向，从而导致著名的存活率恢复阶段。因此，恢复阶段属于模式1代谢，其特征是具有富余的解毒能力；在大肠杆菌中，该能力由Ahp反应实现。模式2则不具备富余的解毒能力。我们预计，这可能是一条此前被忽视的普遍规律。
利益冲突声明
作者声明不存在利益冲突。
已声明的资助方信息
美国国立卫生研究院国家普通医学科学研究所
R35GM151236
版权
本预印本的版权所有者为作者/资助方，其已授予bioRxiv许可，允许其永久展示本预印本。
保留所有权利。未经许可不得重复使用。
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发布于2026年10月27日。
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代谢中的随机性：氧化应激响应表型作为网络拓扑结构的涌现性结果
Aleksandar Mihnev、Dana Luong、Jonah Porat、Roger Larken Chang
bioRxiv
2026.10.23.761362；
doi：https://doi.org/10.64898/2026.10.23.761362
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代谢中的随机性：氧化应激响应表型作为网络拓扑结构的涌现性结果
Aleksandar Mihnev、Dana Luong、Jonah Porat、Roger Larken Chang
bioRxiv
2026.10.23.761362；
doi：https://doi.org/10.64898/2026.10.23.761362
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关键词：活性氧代谢 · 氧化应激响应 · 通量平衡分析 · 代谢网络拓扑 · 双峰杀伤效应 · 大肠杆菌
原文链接：https://www.biorxiv.org/content/10.64898/2026.10.23.761362v1?rss=1