代谢网络的基因敲除与级联

代谢网络为鲁棒性研究提供了少有的“可以计算功能”的系统：给定反应化学计量和培养基，可以预测细胞能否合成生长所需的全部前体。

三种预测必需性的方法

1. 拓扑损伤：删除一个酶后，有多少代谢物无法再从营养物出发生成。Lemke 等（2004，Bioinformatics）对大肠杆菌的分析预测约 91% 的酶删除后只造成很小损伤，约 9% 造成严重损伤，而这一小部分包含了多数实验证实的必需酶——损伤分布高度不均，与“耐随机、怕攻击”的模式一致。
2. 通量平衡分析（flux balance analysis, FBA）：在稳态 $S\mathbf v=\mathbf 0$ 与通量上下界约束下最大化生物量通量；敲除基因即令其催化反应的通量为零，最优生物量为零（或远低于野生型）即预测为必需（Orth、Thiele 与 Palsson 2010 的入门介绍）。Edwards 与 Palsson（2000，PNAS）用大肠杆菌基因组尺度模型对中心代谢基因缺失做预测，在 86% 的检验案例中定性正确。
3. 最小代谢调整（MOMA）：Segrè、Vitkup 与 Church（2002，PNAS）认为突变株不会立刻达到新的最优，而是使通量分布尽量接近野生型，这对刚敲除的突变株预测更准确。

级联与合成拯救

代谢网络中的级联并非负载过载，而是上游缺失导致下游无法合成的“饿死”式级联：一个反应失去底物，它的产物又是其他反应的底物……Smart 等（2008，PNAS）发现真实代谢网络对这类级联比零模型更鲁棒，关键在于分支代谢物（可由多条途径生成的代谢物）的组织方式。

反直觉的是，额外的损伤可以挽救细胞。Motter、Gulbahce、Almaas 与 Barabási（2008，Molecular Systems Biology）用 FBA 研究缺失必需酶而无法生长的突变株，发现一些突变株可以通过再敲除其他基因恢复生长（合成拯救，synthetic rescue），机制是迫使通量绕过受损功能或补偿失去的功能。Barabási 第 8 章称之为“拉撒路效应”，并把它与级联防御中的主动移除类比。

算例（代码中的玩具网络）：葡萄糖 → G6P（基因 G1）→ 丙酮酸（G2）→ 乙酰辅酶 A（同工酶 G3 或 G4）→ 脂质（G8）；核糖-5-磷酸可由 G6P 经一步（G5）或由丙酮酸经两步旁路（G6、G7）生成。生物量需要核糖-5-磷酸、脂质和丙酮酸。单独敲除 G1、G2 或 G8 致死（无替代）；G3 与 G4 互为冗余，G5 与旁路互为冗余，所以 (G3,G4)、(G5,G6)、(G5,G7) 是合成致死对。冗余让单基因敲除变得无害，同时也制造了成对的弱点——这正是下一页合成致死疗法的逻辑。