2019年9月18日，北京大学定量生物学中心、北京国际数学研究中心张磊课题组在Cell子刊Cell Systems在线发表题为“Network topologies that can achieve dual function of adaptation and noise attenuation”的研究论文。该工作通过数学与生命科学的交叉研究，利用理论分析与大规模科学计算，揭示了生物网络实现“适应-抗噪”双功能的设计原理。
许多生物系统需要在噪声环境下实现适应性，但生物网络同时实现适应性和抗噪性双功能的机制尚不清楚。以往针对适应性与抗噪性的研究多局限于特定的生物网络，张磊课题组则试图回答一个更为基本的问题：什么样的网络拓扑能够实现“适应-抗噪”双功能？如果这样的网络存在，那么其内在的设计原理是什么？
张磊课题组首先在三结点网络中发现了适应性要求的灵敏度和抗噪性之间存在一种内在的制约关系，从而阻碍了双功能的实现，即灵敏度越高，抗噪性越差；抗噪性越好，灵敏度越低。虽然利用时间尺度可以调节灵敏度和抗噪性之间的制约关系，但会导致适应时间的延长和不切实际的参数选择。相比之下，四结点网络可以通过模块拼接以及时间尺度匹配的策略，有效地解耦适应性与抗噪性，从而克服其制约关系以实现适应-抗噪双功能。从七个适应性生物系统的研究中发现，复杂的生物网络也经常采取适应性网络与抗噪性模块耦连的策略来提高其双功能的鲁棒性。
张磊课题组的研究工作鉴定了适应性和抗噪性之间的制约关系，揭示了时间尺度是连接网络拓扑与生物功能的重要桥梁，同时也为其它双功能和多功能网络的设计提供了一种可行的理论框架。
北京大学北京国际数学研究中心博士研究生乔灵霞和定量生物学中心博士研究生赵伟为该论文的共同第一作者，北京大学张磊副教授、汤超教授，以及加州大学尔湾分校聂青教授为共同通讯作者。该工作得到了国家自然科学基金委、国家科技部等的资助。
原文链接：https://www.cell.com/cell-systems/fulltext/S2405-4712(19)30275-3
