设计模式是经常出现的问题的通用解决方案。它们最初是由建筑师和计算机科学家开发的，旨在为他们的设计创建更高层次的抽象。
在这里，我们将这些概念扩展到细胞生物学，以便为细胞底层反应网络的进化设计提供新的视角。
我们提供了 21 种设计模式的目录，分为三类：
- 创建模式描述构建细胞的过程，
- 结构模式描述反应网络的布局，
- 行为模式描述反应网络功能。
将这种模式语言应用于大肠杆菌中央代谢反应网络、酵母信息素响应信号网络和其他示例，为这些系统提供了新的见解。
用设计模式来构建生物学有几个主要好处：
- 1. 设计模式确定了生物学中常见问题的重复性解决方案。它们代表了不断进化的保守功能行为。
- 2.模式提供了抽象性，有助于揭示总体原则。与迷失在分子细节中相比，模式突出了概念主题。
- 3.模式有助于不同生物系统之间的比较分析。它们为在多样性中识别相似性提供了一种共同语言。
- 4.模式为生物工程或操纵生物提供了方法，因为它们捕捉到了进化所趋同的成功策略。
- 5.用模式思维指导建模工作。体现设计模式的模型能更好地捕捉生物系统的能力。
- 6.模式代表着简化的主题，有助于理解和记忆。学习和推理一些关键模式比学习和推理无穷无尽的具体内容要容易得多。
- 7.识别模式有助于培养系统思维。它要求从组件放大到考虑整个系统的行为及其产生的原因。
- 8.模式可能指向支配所有生化细胞的普遍原则，甚至在其他星球上也是如此。同样的问题在任何地方都会出现。
总之，设计模式具有抽象性、简化性、统一性、可比性、模仿性、理解性、预测性，也许还具有普遍性。这些优点可以帮助生物学研究和应用。
创造性设计模式
- 模板 - 以母本为模板进行生物合成（如 DNA 复制、转录、翻译）。包括动力学校对，以确保准确性。
- 组装线--使用一系列酶进行逐步生物合成，如代谢途径。需要负反馈调节。
- 被动组装--利用有利的热力学和随机扩散进行自组装。可逆。例如蛋白质折叠、二聚化、相分离。
- 主动组装 - 组装需要能量输入和其他细胞成分的协助。不可逆。如伴侣辅助折叠、囊泡形成、细胞骨架生长。
- 孔隙和泵 - 分子通过孔隙、通道和泵进行被动和主动的跨膜运输。提供区隔。
- 转化 - 蛋白质、脂质、核酸等细胞成分的酶降解或修饰。调控严格。包括蛋白质裂解和泛素化。
总之，创造模式代表了细胞用来构建生命所需的分子、结构和组织特征的不同机制。它们构建了细胞的物理成分。
结构设计模式
- 输入/输出 - 从环境中输入材料/信息并输出材料/信息以达到某种目的的元素。例如新陈代谢中的转运体、信号传递中的受体。
- 收集器/播散器 - 通过主调节器实现信息流的汇聚和发散。例如转录因子、TOR 蛋白、激素。
- Common Currency - 重复使用一些标准的能量/化学源，如 ATP、NADH。与领结结构有关。
- 链 - 线性反应序列，如代谢途径或信号级联。
- 平行路径 - 多个互补路径，如有氧/无氧代谢或信号前馈回路。
- 单向循环 - 下游产物返回上游以维持循环的循环途径。例如 TCA 循环、细胞周期。
- 注释--对蛋白质或 DNA 进行可逆的共价或非共价修饰，以表示信息。例如磷酸化。
总之，结构模式代表网络连接图案，可解决系统输入/输出、信息整合、底物通道、多功能性和时间记录等问题。
行为设计模式
- 适应 - 通过负反馈，在受到扰动后恢复基线。实现平衡/耐受。例如渗透调节和趋化作用。
- 周期性 - 产生振荡的网络，如细胞周期和昼夜节律钟。需要有时间延迟的负反馈。
- 比例输出 - 在一定范围内的线性输入输出关系。改善信息传输。通过负反馈或前馈反馈实现。
- 双曲线输出 - 在高输入水平时响应饱和。在较大范围内保持灵敏度。由酶饱和引起。
- 切换 - 超灵敏的全或无反应。通过多步磷酸化、正反馈产生。
- 方向制造者 - 由能量或底物/产物比率驱动的单向反应。例如 ATP 水解。
- 绝缘体 - 通过定位、标准化连接、放大/反馈，隔离子网络的边界。提高模块化程度。
- 折叠变化检测 - 输出取决于输入的部分变化，而非绝对水平。例如趋化、NF-kB 和 Wnt 通路。
总之，行为模式代表了能够实现适应性、节律性、信息传递、敏感性、决策阈值、不可逆性、模块性和分数感应的动态。
A.设计模式提供抽象并揭示通用解决方案
- - 设计模式鼓励将生化网络抽象为通用行为和解决方案。
- - 这样就能更好地识别系统之间的相似之处和不同之处。
- - 让人们了解细胞所拥有的功能 "工具"，以及机制运作的原因。
- - 有助于发现生物学中反复出现的问题和一致的解决方案。
B.也可更广泛地应用模式
- - 从特定分子到多细胞生物体，设计模式可以在不同层次上识别。
- - 本文的重点是单个细胞中的反应网络。
- - 但设计模式的应用范围也可以更窄，例如，一个信号通路的组成部分。
- - 表皮生长因子受体（EGFR）/表皮生长因子激酶（ERK）通路可以解构为层次分明、相互关联的模式，以便更好地理解。
C.与计算机科学起源的联系
- - 设计模式起源于计算机科学，用于捕捉常见的编程解决方案。
- - 这就提出了全细胞模拟需要哪些能力的问题。
- - 生物设计模式代表了此类模拟所需的解决方案。
- - 人工智能/人工智能方法也有可能从网络数据中自动识别模式。
D.提出生化细胞的普遍原则
- - 细胞面临着构建组件、连接组件和行为动画等反复出现的问题。
- - 解决这些问题的方法是设计模式，这可能是生命的普遍原则。
- - 如果生化细胞再次进化，很可能会出现同样的问题和解决方案。
- - 即使是外星生命也可能表现出同样的模式，因为它们反映了基本的制约因素。
- - 这些模式可能构成任何生化细胞自我组装的组织原则。