多目标规划在细胞代谢网络中应用

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1、ClassifiedIndex:CODE:10075U.D.C:NO:20100978ADissertationfortheDegreeofM.ScienceApplicationofMultipleObjectiveProgramminginCellularMetabolicNetworksCandidate:CuiJingSupervisor:AssociateProf.ZhouQinghuaAcademicDegreeAppliedfor:MasterofScienceSpecialty:AppliedMathematicsUnive

2、rsity:HebeiUniversityDateofOralExamination:June,2013摘要摘要在流量均衡分析方法建立的数学模型中，目标函数起到一个非常重要的作用。然而一个目标函数只能描述一种环境情况下细胞代谢网络的流量分布。为了描述复杂环境情况下流量分配的结果，我们考虑了多目标规划方法。本文通过增加动态模型目标函数的个数，形成了多目标函数的动态模型。因而建立了多目标规划的应用形式，更加准确的预测大肠杆菌的生长情况及代谢物的生成和消耗情况。因为最大化生物量浓度和最小化葡萄糖浓度这两个目标函数经常使用，所以选择了这两个目标函数

3、构成多目标函数，并使用加权组合法将多目标规划问题转为单目标规划问题，最后利用最优控制的方法求解。实验结果表明通过多目标规划的应用提高了生物量浓度和葡萄糖浓度的计算结果与真实大肠杆菌实验数据的匹配度。与此同时，我们还研究了动态模型约束条件的求解方法来获得更好的生物量、葡萄糖浓度的模拟结果。文中用四阶的亚当姆斯法（多步法）替代四阶的龙格库塔方法（单步法）求解动态模型中出现的常微分方程，并且在计算过程中尝试不同的步长。实验结果显示改进的求解方法得到了更好的模拟结果。关键词代谢网络流量均衡分析动态模型多目标规划亚当姆斯法IAbstractAbstr

4、actObjectivefunctionplaysasignificantroleinthemodelwhichbuildsbyusingfluxbalanceanalysis.Butoneobjectivefunctiononlycanrepresenttheflowdistributionunderoneenvironmentalcondition.Fordescribingtheflowdistributionundercomplexenvironmentalconditions,weconsiderthemultipleobject

5、iveprogramming.Thispaperformsthedynamicmodelwithmultipleobjectivefunctionsbyincreasingthenumberofobjectivefunctioninthedynamicmodel.Thus,theapplicationmodalityofmultipleobjectiveprogrammingisestablishedthataccuratelypredictsthegrowthofEscherichiacoliandtheconditionsofmetab

6、olitesproductionandconsumption.Becauseofmaximalbiomassconcentrationandminimumglucoseconcentrationaretwocommonusingobjectivefunctions,wechoosebothofthemtostructurethemultipleobjectivefunctionsandapplytheweightedsummethodtomakemultipleobjectiveprogrammingtranslatetosingleobj

7、ectiveprogramming,thensolvethisdynamicmodelbyoptimalcontrolmethod.Theexperimentalresultdemonstratesthattheapplicationofmultipleobjectiveprogrammingimprovescomputationalprecisionofthesimulationresultsofthebiomassconcentrationandglucoseconcentrationcomparedwiththeexistingexp

8、erimentalresults.Meanwhile,wealsostudythemethodofsolvingtheconstraintsofthedynamicmodelto