本论文主要对系统生物学涉及到最优控制的一些问题进行了探索.　　我们就系统生物学涉及的神经系统、细胞信号传导、基因表达建模和相应的系统参数估计四个方面作了研究.文中四个方面的相关问题都是系统生物学最新、最前沿的研究方向之一,而且都和最优控制理论相关.它们涉及把随机控制问题近似转化为确定性的控制问题、状态最优估计及带状态约束的最优控制问题.目前,最优控制理论在系统生物学的应用研究尚处于起步阶段,我们认为这是一个重要而有前景的领域.　　全文共分为7章.　　第一章是引言,介绍了系统生物学的发展历史和研究现状.同时,介绍了控制方法在系统生物学中的应用和本文的工作.　　第二章是预备知识,介绍了反应动力学和最优控制问题.　　第三章主要对经典的Stein模型、脉冲幅度与状态有关的连续随机输入的Stein模型和带泊松输入的Stein模型分别做了关于神经元脉冲发放最优控制的研究.这些模型的描述方程含有正参数α.我们解答了对于不同类型模型的最优控制问题,找到了最优输入速率λ(t).关于参数的数值模拟显示,只要模型的参数值在一定的范围之内,我们希望得到的脉冲发放的时间间隔是可能实现的.　　第四章主要介绍了关于乳糖操纵子的一个调控模型,研究了在葡萄糖和乳糖共存环境下发生二次生长现象和非二次生长现象.这个模型考虑了大家知道的所有调控机理:包括代谢阻抑,诱导物的排除,乳糖水解为葡萄糖以及转录和翻译的时滞现象.一个新的代谢阻抑机理被提出来:环腺苷酸(cAMP)的合成不仅和外部的葡萄糖浓度有关,而且和内部的葡萄糖浓度有关.我们特别关注了模型中细胞内的cAMP和β-半乳糖苷酶.数值实验结果显示模型预测的和实验现象是相一致的.在葡萄糖和乳糖共存环境下,能阻抑乳糖转运的细胞外葡萄糖浓度的变化不能改变二次生长现象中的时滞阶段时间的长短.　　对任何一个系统来说,要从同时携带信息和噪声的信号中分离出真实的信号是我们面对的一个挑战.而调解细菌趋化性的信号传导途径是其中一个特别艰巨的工作.因此,在第五章中我们主要对盘基网柄菌系统进行了研究.通过用数学模型来描述信号,噪音和系统,我们明确地阐述并且解决了关于预测配合物结合到受体过程的最优滤波问题.数值模拟结果与实验现象十分吻合.最后,我们提出了利用噪音的放大因子来表征噪音的传播特性的概念.　　第六章主要提出了基于参数估计模型降维应用于乳糖操纵子模型的方法.通过参数灵敏度方程,运用主成分分析把13维的模型降到3维.降维不仅使得参数估计的复杂性降低了,而且使得参数估计的准确性不会受很大的影响.　　第七章主要提出了基于生物反应器系统参数估计的参数灵敏度的最优控制设计,分别对于单个种群在单个底物和混合底物环境中生长模型以及多个种群在单个底物环境中生长模型研究了参数灵敏度的最优控制规律.为了估计模型中的两个结构参数最大生长速率μmax和半饱和常数K,我们通过理论分析和数值模拟发现,往往通过增加系统状态的浓度,可以提高参数估计的准确度和可靠性.　　第八章是结论部分.我们对控制理论在系统生物学中的应用提出了进一步的研究方向.