معلومة

ما مدى فائدة نموذج التمثيل الغذائي البشري للتنبؤ بالكتلة الحيوية؟

ما مدى فائدة نموذج التمثيل الغذائي البشري للتنبؤ بالكتلة الحيوية؟


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

من أجل استخدام نموذج التمثيل الغذائي البشري لتحليل توازن التدفق لخطوط خلايا سرطانية معينة ، نود أن نعرف نوع قيم التدفق التي تم تحديدها لنموذج التمثيل الغذائي البشري.

في الأساس ، ما مدى فائدة التنبؤ بإنتاج الكتلة الحيوية في البشر (إلى حد ما)؟ إذا لم يكن الأمر جيدًا لهذا ، فما هي الخيارات الأخرى المتاحة؟

شكرا جزيلا!


أولاً ، من المهم أن نتذكر أن تحليل توازن التدفق يحسب حدود الأداء النظرية ، أي السلوك الأمثل نظريًا للنظام فيما يتعلق بالهدف والقيود. عندما تنمو الخلايا البكتيرية النامية في الثقافة تتطور تحت ضغط الاختيار لإنتاج الكتلة الحيوية ، يمكن بالفعل الاقتراب من الحد النظري لإنتاج الكتلة الحيوية ، انظر على سبيل المثال إيبارا وآخرون: طبيعة سجية. 2002 14 نوفمبر ؛ 420 (6912): 186-9. (http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/12432395) وفونغ وبالسون: نات جينيه. 2004 أكتوبر ؛ 36 (10): 1056-8 (http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/15448692).

يجب النظر في مدى قرب الأنظمة الأخرى من الاقتراب من الأمثلية على أساس كل حالة على حدة ، ويجب أن تكون القيود واقعية. في البشر ، قد تتوقع على سبيل المثال أن فسيولوجيا الأشخاص (مستويات الجلوكوز في الدم ، إلخ) ستؤثر بشكل كبير على معدل نمو أي خلايا سرطانية ، بالإضافة إلى بنية الورم (خاصة إمدادات الدم). بالنسبة للخلايا التي تنمو بحرية في الثقافة ، قد يتوقع المرء أن يكون تطبيق FBA أسهل.

بالنسبة لخلايا هيلا التي تنمو في الثقافة ، تشير نتائج دراسة واحدة على الأقل إلى اتفاق بين معدلات النمو التجريبية والمتوقعة من قبل FBA: انظر Resendis-Antonio et al: نمذجة التمثيل الغذائي الأساسي في الخلايا السرطانية: مسح الطوبولوجيا الكامنة وراء تأثير واربورغ. بلوس وان ، 5 (2010) ، الصفحات 1-11 (http://www.plosone.org/article/info٪3Adoi٪2F10.1371٪2Fjournal.pone.0012383)

ما إذا كان معدل إنتاج الكتلة الحيوية الدقيق متوقعًا أم لا قد لا يكون في الواقع مهمًا للغاية ، وكان هناك اهتمام كبير بتطبيق FBA لدراسة الجوانب المختلفة لعملية التمثيل الغذائي للسرطان. فيما يلي بعض الأوراق التي قد تكون ذات أهمية:

أشويني كومار شارما ، راينر كونيغ. نهج نمذجة الشبكة الأيضية للتحقيق في "السرطان الجائع". ندوات في بيولوجيا السرطان 23: 4 ، 2013 ، 227-234 (http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1044579X13000436) (إعادة النظر)

شلومي وآخرون: النمذجة الأيضية على نطاق الجينوم توضح دور التكيف التكاثري في التسبب في تأثير واربورغ. PLoS Coputational Biology 2011 (http://www.ploscompbiol.org/article/info٪3Adoi٪2F10.1371٪2Fjournal.pcbi.1002018).

لويس وعبد الحليم. تطور نماذج مقياس الجينوم لعملية التمثيل الغذائي للسرطان. أمام. Physiol. ، سبتمبر 2013 (http://www.frontiersin.org/Journal/10.3389/fphys.2013.00237/full). (إعادة النظر)

وأطروحة ماجستير ذات صلة: النمذجة الأيضية الحاسوبية للنمو الخلوي: من البكتيريا إلى السرطان. http://www.cs.tau.ac.il/thesis/thesis/Benyamini.pdf


توقع عمليات الإنقاذ الاصطناعية في شبكات التمثيل الغذائي

* الكاتب المراسل. قسم الفيزياء والفلك ، جامعة نورث وسترن ، 2145 طريق شيريدان ، إيفانستون ، إلينوي 60208 ، الولايات المتحدة الأمريكية. Tel .: +1 847491 4611 Fax: +1 847491 9982 البريد الإلكتروني: [email & # 160protected]

يتمثل أحد الأهداف المهمة للبحث الطبي في تطوير طرق لاستعادة فقدان الوظيفة الخلوية بسبب الطفرات والعيوب الأخرى. تهدف العديد من الأساليب القائمة على العلاج الجيني إلى إصلاح الجين المعيب أو إدخال الجينات ذات الوظيفة التعويضية. هنا ، نقترح استراتيجية بديلة قائمة على الشبكة تهدف إلى استعادة الوظيفة البيولوجية عن طريق إجبار الخلية إما على تجاوز الوظائف المتأثرة بالجين المعيب ، أو للتعويض عن الوظيفة المفقودة. بالتركيز على عملية التمثيل الغذائي للكائنات وحيدة الخلية ، ندرس حسابيًا المسوخات التي تفتقر إلى إنزيم أساسي ، وبالتالي فهي غير قادرة على النمو أو لديها معدل نمو منخفض بشكل ملحوظ. لقد أظهرنا أنه يمكن تحويل العديد من هذه المسوخات إلى كائنات حية قابلة للحياة من خلال عمليات حذف جينية إضافية تعيد معدل نموها. بطريقة غير متوقعة إلى حد ما ، يتم تحقيق ذلك عن طريق الضرر الإضافي لشبكة التمثيل الغذائي. باستخدام الأساليب القائمة على توازن التدفق ، نحدد عددًا من أزواج الجينات القابلة للحياة صناعياً ، حيث ينتج عن إزالة جين واحد لترميز الإنزيم نمط ظاهري غير قابل للحياة ، في حين أن حذف جين ترميز إنزيم ثانٍ ينقذ الكائن الحي. قد يفتح التحديد المنظم المستند إلى الشبكة لآثار الإنقاذ التعويضية آفاقًا جديدة للتدخلات الجينية.


ملخص

تم تطوير نماذج التمثيل الغذائي البشري الخاصة بالجنس والكامل للجسم وتم تقييدها بالبيانات الفسيولوجية والغذائية والأيضية. إنها تلخص وظائف التمثيل الغذائي المعروفة لكامل الجسم وتمكن من الاستكشاف الآلي لعملية التمثيل الغذائي المشترك للميكروبيوم المضيف.

  • تمثل عمليات إعادة البناء الأيضية الخاصة بالجنس الوظيفة المتكاملة لـ 26 عضوًا وستة أنواع من خلايا الدم.
  • يمكن تقييد عمليات إعادة البناء المتكافئة لعملية التمثيل الغذائي من خلال البيانات الفسيولوجية والأيضية لكامل الجسم لإنشاء نماذج مخصصة.
  • نماذج التمثيل الغذائي لكامل الجسم تلخص دورات التمثيل الغذائي المعروفة بين الأعضاء واستخدام الطاقة ، وتتنبأ بنجاح بالعلامات الحيوية المعروفة للأمراض الأيضية الموروثة ، وتستكشف التمثيل الغذائي المشترك المحتمل للميكروبيوم.

نمذجة شبكة التمثيل الغذائي مع الكائنات الحية النموذجية

يمثل نموذج شبكة التمثيل الغذائي على نطاق الجينوم (GSMNM) جميع عمليات التمثيل الغذائي.

تساعد GSMNMs في الكائنات الحية النموذجية على الفهم الأساسي وتطوير الأسلوب.

في الآونة الأخيرة ، تم تطوير اثنين من GSMNMs من أجل أنواع معينة انيقة.

GSMNs للنماذج الحيوانية مفيدة لدراسة الأمراض التي تصيب الإنسان.

إطار متعدد الأنسجة من نبات الأرابيدوبسيس thaliana يلهم نمذجة الكائن الحي كله.

يسمح تحليل توازن التدفق (FBA) مع نماذج شبكة التمثيل الغذائي على نطاق الجينوم (GSMNM) بالتنبؤات على مستوى الأنظمة لعملية التمثيل الغذائي في مجموعة متنوعة من الكائنات الحية. يمكن إجراء أنواع مختلفة من التنبؤات بمستويات دقة مختلفة اعتمادًا على القيود التجريبية المطبقة التي تتراوح من قياس تدفقات التبادل إلى تكامل بيانات التعبير الجيني. نمذجة شبكة التمثيل الغذائي مع الكائنات الحية النموذجية كانت رائدة في تطوير الطريقة في هذا المجال. بالإضافة إلى ذلك ، تعد GSMNMs للكائن النموذجي مفيدة في الفهم الأساسي لعملية التمثيل الغذائي ، وفي حالة النماذج الحيوانية ، لدراسة الأمراض البشرية الأيضية. هنا ، نناقش GSMNMs للكائنات النموذجية الأكثر استخدامًا مع التركيز على عمليات إعادة البناء الحديثة.


الاستنتاجات

يمكن تعميم الطريقة التي اقترحتها هذه السلسلة من الدراسات لتحديد جميع البروتينات المتأثرة بالتباين في المخلفات المهمة وظيفيًا ، لتحديد مدى توافر بروتينات الخميرة المتعامدة لنمذجة تأثيرات هذا التباين ، وفي المستقبل ، للتنبؤ وتحديد القيمة الخلوية و الاستجابات العضوية المحتملة للاختلاف. توضح التحليلات المحددة المقدمة هنا لإثبات الطريقة أيضًا أن تباين النوكليوتيدات المفردة غير المجهول في الموقع النشط يجب أن يعطل وظيفة الإنزيم ويحتمل أن يسبب المرض في الخميرة. ومع ذلك ، من أجل استقراء هذه النتيجة بشكل كامل وواثق للبشر ، يجب التحقق من تعطيل وظيفة الإنزيم مقابل تأثيرات الزيجوز. هذا قيد تفرضه البيانات الموجودة حاليًا بسبب نقص معلومات التردد ذات الصلة بالنسبة لغالبية الاختلافات المدروسة. لقد قدمنا ​​6 مجموعات من أزواج تقويم العظام البشرية / إنزيم الخميرة والتي تم عرض البروتين البشري لها بشكل تجريبي مع nsSNV في الموقع النشط وتم التحقق من مشاركة إنزيم الخميرة في الخصائص المحفوظة الهامة. من المعروف أن كل من هذه الإنزيمات لها تأثيرات ضارة على فسيولوجيا الإنسان عند اختلال وظيفي ، ولكن فقدان الوظيفة مرتبط بشكل مباشر في OMIM بواحد فقط من متغيرات الموقع النشط ، الجلوتاثيون synthetase. وبالتالي ، فإننا نقدم خمسة مرشحين قابلين للتطبيق لاكتشاف الأمراض ذات الصلة المتغيرة. تُظهر نمذجة FBA الأولية دعمًا تنبئيًا لأحد هذه الإنزيمات ، أيزوميراز ريبوز-5-فوسفات. سيستمر التحقق التجريبي من هذه النتائج وما شابهها في زيادة عالم المعرفة ، مما يسهل بدوره تطوير نماذج أكثر قوة وقوة. قد يؤدي التقدم في التكنولوجيا المستخدمة بواسطة هذه الطريقة إلى تمكين إنشاء ملفات تعريف المستقلب على المدى الطويل المرتبطة بالتغير النشط في الموقع لأخصائيي تقويم العظام والبشر المناظرين. يمكن للمقايسات البيوكيميائية البسيطة التي تقارن تركيزات مستقلب الإنسان والخميرة إلى الملامح أن تسهل اكتشاف التباين غير المترادف في الموقع النشط. قد يضع هذا أيضًا الأساس لخطوط أنابيب التشخيص المستقبلية للتنبؤ بالنتائج غير المعروفة لـ nsSNVs النشطة للموقع في هذه الإنزيمات وغيرها.


ما مدى فائدة نموذج التمثيل الغذائي البشري للتنبؤ بالكتلة الحيوية؟ - مادة الاحياء

U g w 0 Y1 0 è 0 Ya af b 0f ņa Ø av، 6 cV6664 ƺ  0 Akk + OM xxqDDķo ߦ | غ س]]] ׯ 0 Ø qƓ'On ƿ U endstream endobj 23 0 obj> endobj 24 0 obj> / ProcSet [/ PDF / Text] / ExtGState >>> endobj 25 0 obj> stream H tW r H + F 0 = ޙ 6I ! d 3 ͪ "v = * ؟ | " ž x Q) wwR ' D 4 > x | . c o wO ރ M ܫ A ؟ ^ b E

٥ n 2 a8 k 9 An5 &: C A Cn ^ + e / 2 endstream endobj 36 0 obj> endobj 37 0 obj> / ProcSet [/ PDF / Text] / ExtGState >>> endobj 38 0 obj> stream H W ے ۸> # T5 ٵ gl د ֕ $ F8 +؟ "؟ ص * ݪ٪ A _`K!)! ع ح گ x

| PM v S R Y 9 ٪ = 2 b k5 U Y F `ř bG> k 6 [ c qJF (YM VG 1h t) ( qhw (-v ϼD I ƙ $ Jy $ f8 = d = @ t چ ѕH 3 ƛ4 = ˤ en B b ¨ K pP / ^ k Q n p d / 7 b ​​ > endobj 46 0 obj> endobj 47 0 obj> endobj 48 0 obj> endobj 49 0 obj> endobj 50 0 obj> endobj 51 0 obj> endobj 52 0 obj endobj 53 0 obj endobj 54 0 obj> stream

Acrobat Distiller 7.0.5 (Windows)

PScript5.dll الإصدار 5.2.2 2012-03-02T10: 02: 24 + 08: 00 2012-03-02T10: 02: 24 + 08: 00 التطبيق / pdf Microsoft Word - الأيضات-02-00242.docx المسؤول uuid: 6fe02091 -01b7-45f3-86cf-39fecaedfe92 uuid: 93ec617a-7fce-4bb0-970a-5d78a87d0b8d endstream endobj 55 0 obj> endobj xref 0 56 0000000000 65535 f 0000009006 00000 n 0000009138 00000 n 0000092435000 0000016696 00000 n 0000023772 00000 n 0000023999 00000 n 0000024181 00000 n 0000024467 00000 n 0000024688 00000 n 0000024823 00000 n 0000024941 00000 n 0000028412 00000 n 0000044886 00000 n 0000045135 00000 n n 0000045408 00000 n000000 ن 0000342600 00000 ن 0000342718 00000 ن 0000346407 00000 ن 0000346667 00000 ن 0000346802 00000 ن 0000346908 00000 ن 0000350558 00000 ن 0000350693 00000 ن 0000350825 00000 ن 0000354635 00000 ن 0000346908 00000 ن ن 0000358482 00000 n 0000362473 00000 n 0000362608 00000 n 0000362714 00000 n 0000366516 00000 n 0000366651 00000 n 0000366757 00000 n 0000368157 00000 n 0000368305 00000 n 000036848 00000 n 0000368563 00000 n 0000368434 00000 n 0000368563 00000 n 0000368434 00000 n 0000368563 00000 n 00054 n 0000054 00000 n 0000372853 00000 n مقطورة> startxref 116 ٪٪ EOF 57 0 obj endobj 71 0 obj> endobj 72 0 obj> endobj 73 0 obj> stream

Acrobat Distiller 7.0.5 (Windows)

شبكة التمثيل الغذائي البشري التي تعيد بناء بيولوجيا أنظمة محاكاة شبكات التمثيل الغذائي المعتمدة على السياق

إصدار PScript5.dll 5.2.2 2012-03-02T10: 03: 44 + 08: 00 2012-03-02T10: 02: 24 + 08: 00 2012-03-02T10: 03: 44 + 08: 00 uuid: 6fe02091- 01b7-45f3-86cf-39fecaedfe92 uuid: 38997779-f95b-4276-a8c0-0d97b2b49a56 تطبيق خاطئ / pdf شبكة التمثيل الغذائي البشري: إعادة البناء والمحاكاة والتطبيقات في بيولوجيا الأنظمة التمثيل الغذائي ضروري لنمو الخلايا وانتشارها. من المعروف أن النقص أو التغيرات في وظائف التمثيل الغذائي لها دور في العديد من الأمراض التي تصيب الإنسان. لذلك ، يعد فهم نظام التمثيل الغذائي البشري أمرًا مهمًا لدراسة ومعالجة شبكة التمثيل الغذائي البشري لشبكة Ming Wu Christina Chan التي تعيد بناء شبكة التمثيل الغذائي المعتمدة على السياق أنظمة محاكاة النمذجة القائمة على القيد علم الأحياء endobj xref 57 1 0000374276 00000 n 71 3 0000374393 00000 n 0000375084 00000 n 0000375133 00000 n مقطورة] / السابق 116 >> startxref 380064 ٪٪ EOF


العنوان: نموذج مقياس الجينوم يكشف عن الأساس الأيضي لتقسيم الكتلة الحيوية في نموذج دياتوم

الدياتومات هي طحالب دقيقة حقيقية النواة تحتوي على جينات من مصادر مختلفة ، بما في ذلك البكتيريا ومضيف التعايش الداخلي الثانوي. بسبب هذا المزيج الفريد من الجينات ، تتميز الدياتومات تصنيفيًا ووظيفيًا عن غيرها من الطحالب والنباتات الوعائية وتمنح قدرات استقلابية جديدة. استنادًا إلى شرح الجينوم ، أجرينا إعادة بناء شبكة التمثيل الغذائي على نطاق الجينوم للدياتوم البحري Phaeodactylum tricornutum. نظرًا لأصلها التكافلي الداخلي ، تمتلك الدياتومات هيكلًا معقدًا من البلاستيدات الخضراء مما يعقد التنبؤ بتوطين البروتين الخلوي. بناءً على العمل السابق ، قمنا بتنفيذ خط أنابيب يستغل سلسلة من أدوات المعلوماتية الحيوية للتنبؤ بتوطين البروتين. حسابات الشبكة الأيضية iLB1027_lipid التي أعيد بناؤها يدويًا تضم ​​1027 جينًا مرتبطًا بـ 4456 تفاعلًا و 2172 نواتج أيضية موزعة على ستة أقسام. لتقييد نموذج مقياس الجينوم ، حددنا تركيبة الكتلة الحيوية الخاصة بالكائن الحي من حيث الدهون والكربوهيدرات والبروتينات باستخدام مقياس الطيف بالأشعة تحت الحمراء لتحويل فورييه. تشير عمليات المحاكاة التي أجريناها إلى وجود تحويلة جلوتامين أورنيثين غير معروفة حتى الآن يمكن استخدامها لنقل المكافئات المختزلة الناتجة عن التمثيل الضوئي إلى الميتوكوندريا. علاوة على ذلك ، يعكس النموذج التركيب الكيميائي الحيوي المعروف لـ P. tricornutum في ظروف ثقافة محددة وتمكن استراتيجيات الهندسة الأيضية لتحسين استخدام P. tricornutum لتطبيقات التكنولوجيا الحيوية.


نمذجة التمثيل الغذائي لميكروبيوم الأمعاء البشرية

ميكروبيوم الأمعاء البشرية هو نظام بيئي معقد يضم مئات الأنواع.

يمكن أن تساعد النمذجة الأيضية في تحديد التداخل الأيضي بين ميكروبات الأمعاء.

يمكن دراسة المكونات الغذائية المتنوعة وتركيبات الميكروبيوم.

يمكن إنشاء نماذج ميكروبيوم الأمعاء المخصصة من خلال دمج أنواع بيانات متنوعة.

يلعب ميكروبيوم الأمعاء البشرية دورًا مهمًا في صحة الإنسان. يجعل تعقيد الميكروبيوم من الصعب تحديد وظائف التمثيل الغذائي المفصلة ويحدث الحديث المتبادل بين الأنواع الفردية. في السيليكو يمكن لدراسات بيولوجيا النظم للميكروبيوم أن تساعد في تحديد تبادل المستقلبات بين ميكروبات الأمعاء. تستخدم طرق إعادة البناء والتحليل القائمة على القيود شبكات التمثيل الغذائي الدقيقة على نطاق الجينوم من الكائنات الدقيقة لمحاكاة التمثيل الغذائي بين الأنواع في ميكروبيوم معين والمساعدة في إنشاء فرضيات جديدة حول التفاعلات الميكروبية. هنا ، نراجع دراسات النمذجة الأيضية التي بحثت في وظائف التمثيل الغذائي لميكروبيوم الأمعاء.


التكنولوجيا الحيوية للطاقة ● التكنولوجيا الحيوية البيئية

سامي بن سعيد. داني أور ، في الرأي الحالي في التكنولوجيا الحيوية ، 2020

النمذجة الرياضية لتصميم وتجميع اتحادات ميكروبية

تقدم النمذجة الرياضية لاتحادات ميكروبية متفاعلة وسيلة لفك تشابك التفاعلات الغذائية بين الأنواع وتوفر إطارًا لتصميم اتحادات اصطناعية ذات وظائف استقلابية محددة. على الرغم من استخدام مجموعة متنوعة من التقنيات والنماذج الرياضية لهذا الغرض [18 ، 20-24 ، 28] ، فإن التوافر والاستخدام المتزايدين لنمذجة شبكة التمثيل الغذائي على نطاق الجينوم [22 ، 25 ، 55] تقدم تقدمًا كبيرًا في التمثيل والفحص التفاعلات في مثل هذا المشهد المعقد والقابل للتكيف SLMC. على أساس تسلسل الجينوم الكامل ، تدمج نماذج مقياس الجينوم جميع التفاعلات الأيضية المشفرة المعروفة في شبكات قابلة للتحليل الرياضي. تم استخدام نماذج مقياس الجينوم ، سواء كانت كاملة أو مختصرة ، بنجاح للتنبؤ بالوظائف الميكروبية مثل النمو على ركائز مختلفة ، ودراسة آثار الضربات القاضية للجينات المحددة على استقلاب الخلية [22 ، 56 ، 57]. بالإضافة إلى ذلك ، تُستخدم نماذج الحجم المصغر ، بناءً على مجموعة فرعية من التفاعلات الأيضية مع الاحتفاظ بإمكانية التنبؤ للمسارات ذات الأهمية ، لزيادة الكفاءة الحسابية [58 ، 59]. في سياق الأنواع المزروعة بشكل مشترك ، تسمح الشبكات الأيضية بالتنبؤ بالتفاعلات الأيضية بين الأنواع التي تعتمد فقط على التمثيل الغذائي داخل الخلايا لكل عضو في الاتحاد [60]. قامت دراسة تاريخية جديدة بالتحقيق بشكل استراتيجي في أكثر من مليوني محاكاة للثقافة المشتركة - 24 نوعًا في مجموعات زوجية في ظل ظروف بيئية مختلفة - لتحديد تفاعلات التغذية المتقاطعة التي توفر فرصًا لتجميع الأنواع المتعددة المستقرة [61 ••]. أكدت الدراسة بشكل حاسم على الدور المحدد لبيئة النمو (الركيزة وتوافر الأكسجين) في تبادل المستقلبات بين الأنواع [61 ••]. يبدو هذا الإطار الحسابي عالي الإنتاجية مناسبًا بشكل خاص كخطوة أولية لإعلام تصميم SLMC ، وبالتحديد في اختيار الأعضاء المتفاعلين. ومع ذلك ، قد تكون هناك حاجة إلى أدوات حسابية إضافية للتحقيق على وجه التحديد وتحسين التنظيم المكاني الزماني لـ SLMC. استخدمت العديد من تطورات النمذجة الحديثة شبكات التمثيل الغذائي على نطاق الجينوم في سياق مكاني واضح بهدف وصف ميكانيكي للمنافسة بين الأنواع والتفاعلات الغذائية [62 ، 63 ، 64 •]. أظهر أحد هذه النماذج التي تحاكي المستعمرات البكتيرية التي تنمو على أجار باستخدام الأساليب القائمة على السكان جنبًا إلى جنب مع تحليل توازن التدفق أن بعض العمليات بين الأنواع ممكنة فقط في سياق الفضاء [62]. يرى التطور الحالي والمبتكر مزيجًا من نماذج مقياس الجينوم مع التمثيل الفردي للخلايا البكتيرية (أي النمذجة القائمة على العامل) [63 ، 64 • ، 65 •]. باستخدام مثل هذا النموذج ، يمكن توقع الاختلافات في الأنشطة الأيضية في الداخل الإشريكية القولونية تعتمد المستعمرات على توطين الخلايا الفردية بالنسبة لموارد الكربون والأكسجين [63]. سمحت امتدادات النمذجة الإضافية بتضمين أنواع متعددة [62 ، 63] واستيعابها في بيئات أكثر تعقيدًا [65 •].

تم بالفعل تطبيق الأدوات الحسابية واستراتيجيات التحسين الموصوفة أعلاه في تطوير التكنولوجيا الحيوية: على سبيل المثال ، تم استخدام نمذجة مقياس الجينوم للتفاعلات متعددة الأنواع لتصميم اتحادات بكتيرية أكثر كفاءة لتحلل مبيدات الأعشاب في التربة [66 •] ، و في السيليكو تم استخدام نماذج الهندسة الوراثية والشبكات الأيضية المكانية والزمانية لتحسين محصول تخمير الغاز التخليقي [67]. في تلك الدراسة الثانية ، أدى الفحص الأولي للضربة القاضية للجينات المفيدة باستمرار إلى انخفاض نمو الأنواع المخمرة المطثية ljungdahlii. قدم استخدام نموذج التمثيل الغذائي المكاني والزماني لمفاعل العمود الفقاعي أهدافًا جينية جديدة محتملة لتحسين تخليق المنتج - وهو اكتشاف غير ممكن بدون سياق الفضاء. على الرغم من أن العقبات التقنية والمصطلحية لا تزال تمنع إعادة البناء الآلي لشبكات مقياس الجينوم [68] ، فقد تم تحديد بعض الحلول المنهجية [69 ، 70]. لذلك ، من هذه النقطة فصاعدًا ، نتوقع مجموعة متنوعة من الإجراءات والأدوات (شبه) المؤتمتة لزيادة عدد نماذج شبكة مقياس الجينوم المتاحة لمجتمع البحث بسرعة. أخيرًا ، سيسهل توحيد شبكات التمثيل الغذائي الجمع بين نماذج الشبكات المتعددة المطلوبة لنمذجة الاتحادات.


نتائج ومناقشة

إعادة بناء الشبكة الأيضية

عمليات إعادة بناء الشبكة على نطاق الجينوم هي قواعد معرفية منظمة كيميائياً ووراثياً وجينومياً والتي توفر إطاراً لتحليل العلاقات بين النمط الجيني والنمط الظاهري والتنبؤ بها. تنقسم عملية إعادة الإعمار إلى أربع خطوات رئيسية [14] وتلخيصها في الشكل 1.

في الخطوة الأولى حصلنا على مسودة إعادة الإعمار بناءً على ص. tricornutumشرح الجينوم وإعادة البناء المرجعي. تم تنسيق مسودة إعادة الإعمار يدويًا باستخدام عدة موارد مثل شرح الجينوم المحسن وتنبؤات التوطين الخلوي وقواعد البيانات الخارجية. كانت جميع التفاعلات متوازنة من حيث العناصر والشحنة ، وتم إجراء مراقبة الجودة / ضمان الجودة وتم تحديد وظيفة الهدف للكتلة الحيوية قبل تحويل إعادة الإعمار إلى نموذج حسابي. في عملية تكرارية ، فإن ملف في السيليكو تتم مقارنة التوقعات مع الملاحظات التجريبية للتحقق من صحة النموذج الأيضي وتحسينه.

أولاً ، أنشأنا مسودة إعادة الإعمار على أساس ص. tricornutum شرح الجينوم والتماثل البروتيني لكائنات القالب المعاد بناؤها [39-41]. تتميز الدياتومات من الناحية التصنيفية والوظيفية عن غيرها من الطحالب والنباتات الوعائية ، في الواقع ، ترتبط العديد من محتويات الجينوم النووي ارتباطًا وثيقًا بالميتازوان ، مما يدل على تنوع استقلاب الدياتوم [2]. على الرغم من أن التنوع قد أدى إلى تعقيد توليد مسودة إعادة البناء القائمة على التماثل ، إلا أنه يصنع الدياتومات أيضًا ، مثل الكائن الحي النموذجي ص. tricornutum، مرشحين جذابين لتحليل العمليات الخلوية على مستوى الأنظمة ، حيث يضيفون إلى التنوع البيوكيميائي للميكروبات في بيئة التكنولوجيا الحيوية ، وبالتالي زيادة أنظمة الإنتاج المتاحة. ثانيًا ، تم تنسيق مسودة إعادة الإعمار يدويًا وصقلها باستخدام موارد إضافية مثل شرح الجينوم وتنبؤات التوطين الخلوي وقواعد البيانات الخارجية (انظر المواد والطرق). بمجرد اكتمال المعالجة اليدوية ، تم تحويل إعادة البناء إلى نموذج رياضي في الخطوة الثالثة. أضفنا الوظيفة الموضوعية للكتلة الحيوية وحدود النظام المحددة (أي امتصاص الكربون والنيتروجين) وفقًا للنتائج التجريبية (انظر المواد والطرق). تم إجراء الاختبارات النوعية أثناء المعالجة اليدوية والخطوة النهائية لصقل النموذج وتحليله. لقد تحققنا من أن جميع مكونات الكتلة الحيوية والفيتامينات التي من أجلها ص. tricornutum يمكن إنتاجه ذاتي التغذية في ظل ظروف نمو واقعية. يمكن حل المسارات المحجوبة بإضافة تفاعل واحد أو تفاعلين في معظم الحالات كانت تفاعلات النقل بين الأجزاء داخل الخلايا مفقودة. علاوة على ذلك ، تأكدنا من أنه لا يمكن إنتاج ATP بدون مدخلات. كما قمنا بالعديد من العروض في السيليكو اختبارات لتقييم اتساق نموذجنا والتحقق من إمكانية استنساخ السلوكيات الفسيولوجية المعروفة حسابياً. الدياتومات قادرة على استخدام مجموعة متنوعة من مصادر النيتروجين ، غير العضوية (مثل النترات والأمونيوم [54]) والعضوية (مثل الأحماض الأمينية أو اليوريا [55]). لذلك ، قمنا بفحص قدرة النموذج على محاكاة إنتاج الكتلة الحيوية على مصادر النيتروجين المختلفة. لم يتم إنتاج الكتلة الحيوية في وجود الهيستيدين أو التربتوفان أو السيستين أو الميثيونين كمصادر نيتروجين وحيدة في بدايتنا في السيليكو النموذج الذي تناقض مع نتائج الأدب [55]. لم يتم فهم هدم الهيستيدين جيدًا في الدياتومات أو النباتات ولم يتم دمجها في النموذج في البداية. نظرًا لأننا لم نتمكن من تحديد الجينات التي تشارك في هدم الهيستيدين في ص. tricornutum، أضفنا هدم الهيستيدين كأحد تفاعلات ذات ثقة منخفضة تؤدي إلى تحلل الهيستيدين والماء إلى الأمونيوم والفورماميد والغلوتامات. ينقسم فورماميد إلى فورمات وأمونيوم مع فورمات تتراكم خلال هدم الهيستيدين في السيليكو تمت إضافة تفاعل الطلب للسماح للصيغة المتراكمة بمغادرة النظام. تم تحقيق إنتاج الكتلة الحيوية للنمو على الميثيونين أو السيستين كمصادر نيتروجين وحيدة عن طريق إضافة تفاعل الطلب على ثنائي ميثيل سلفونيوبروبيونات (DMSP). من المعروف أن مستويات DMSP تزداد مع شدة الضوء أو تجويع النيتروجين ولكن استقلابه غير مفهوم جيدًا في الدياتومات وبينما مسار التخليق الحيوي غير معروف حاليًا [56] ، فإن نقطة البداية المعقولة ستكون حمض أميني مع ذرة كبريت مخفضة بالفعل. منع تراكم الإندول النمو على التربتوفان كمصدر للنيتروجين. لحساب تدهور الإندول غير المعروف ، تمت إضافة تفاعل الطلب. مع هذه التغييرات ، يمكن للنموذج محاكاة إنتاج الكتلة الحيوية باستخدام مصادر النيتروجين المختلفة التي تم اختبارها.

تتطلب الاستفادة من نموذج مقياس الجينوم في استكشاف واستيعاب استقلاب الشحوم تمثيلًا دقيقًا للمسارات الأيضية والمستقلبات الوسيطة. تحقيقا لهذه الغاية ، تم تطوير وحدة الدهون (أناLB1027_lipid ، انظر ملف S3) الذي يشمل النطاق الكامل لمستقلبات الدهون والتفاعلات الأيضية. تسمح هذه الوحدة بدمج توصيف فئة الأحماض الدهنية التجريبية والدهن لينعكس في تكوين الكتلة الحيوية. كان من الممكن دمج بيانات FAME التجريبية عبر خوارزمية ملائمة للبيانات تعتمد على التحسين الخطي (انظر المواد والطرق). بعد ملاءمة النموذج للبيانات ، كان الانحراف عن القيم التجريبية للنموذج أقل بمقدار 350 مرة في وحدة الدهون مقارنة بالنموذج الأساسي. توضح هذه النتيجة فائدة وحدة الدهون عند التحقيق في استقلاب الأحماض الدهنية والدهون في ص. tricornutum.

شبكة التمثيل الغذائي على نطاق الجينوم المنسق لـ ص. tricornutum بما في ذلك وحدة الدهون ، أناLB1027_lipid ، يمثل 1027 جينًا مرتبطًا بـ 4456 تفاعلًا و 2172 نواتج أيضية موزعة عبر ستة أقسام (الجداول M-O في ملفات S2 و S3). بالمقارنة مع مسودة إعادة الإعمار ، تضاعف عدد الجينات (446 جينًا) خلال مرحلة المعالجة اليدوية. ترتبط جميع التفاعلات بواحد على الأقل من 90 نظامًا فرعيًا يمكن تصنيفها إلى عشر مجموعات ، على سبيل المثال ، استقلاب الكربون أو الدهون (الشكل 2). بالإضافة إلى ذلك ، نموذج أساسي مع انخفاض كبير في التمثيل الغذائي للدهون (أناLB1025). يمثل النظام الفرعي لاستقلاب الدهون 1،029 تفاعلًا مقارنة بـ 3325 تفاعلًا متضمنًا في استقلاب الدهون في أناLB1027_lipid. ينتج عن النموذج الأساسي توزيعات تدفق قابلة للمقارنة ويكون مناسبًا ، على سبيل المثال ، إذا كانت البيانات التفصيلية حول تركيبة الدهون في ظل حالة المحاكاة مفقودة.

(أ) ردود الفعل لكل نظام فرعي. معظم ردود الفعل تشارك في التمثيل الغذائي للدهون. تؤكد قياسات FTIR على حقيقة أن الدهون تشكل الجزء الأكبر من الكتلة الحيوية. نظرًا لوجود مقصورات متعددة وحقيقة أن العديد من المسارات مقسمة بين الأقسام ، تُعزى العديد من التفاعلات إلى النقل داخل الخلايا. يحتوي النظام الفرعي للنمذجة على صيانة ATP والكتلة الحيوية والطلب والحوض وتبادل التفاعلات. (ب) نسبة التفاعلات والمستقلبات لكل حجرة. توجد معظم التفاعلات والمستقلبات في العصارة الخلوية ، تليها البلاستيدات الخضراء والميتوكوندريا في حالة التفاعلات والميتوكوندريا والبلاستيدات الخضراء من أجل المستقلبات. يحتوي البيروكسيسوم والفضاء خارج الخلية والثالاكويد على أقل من 5٪ و 8٪ من جميع التفاعلات والمستقلبات في إعادة الإعمار ، على التوالي.

توقع توطين الإنزيم الخلوي

أحد الجوانب الصعبة لإعادة بناء حقيقيات النوى هو التنبؤ بالتوطين الخلوي للبروتينات. نظرًا لأصلها التكافلي الداخلي ، تمتلك المركبات غير المتجانسة الضوئية بما في ذلك الدياتومات بلاستيدات خضراء محاطة بأربعة أغشية. يتوافق هذا الهيكل المعقد مع إشارات استهداف بلاستيد مميزة في الدياتومات التي تقيد استخدام أدوات التنبؤ الخلوية المتاحة لحقيقيات النوى الأخرى. قمنا بتحسين خط أنابيب تم تطويره مسبقًا والذي جمع بين برامج المعلومات الحيوية المختلفة للتنبؤ بالتوطين الخلوي للبروتينات في الدياتومات [57] (انظر الشكل 3 ، المواد والطرق ، والقسم أ في ملف S1).

تمثيل تخطيطي لخط أنابيب التنبؤ التعريب الخلوي المنفذ لـ Phaeodactylum tricornutum مقتبس من أعمال سابقة [57]. يتم عرض الأجزاء الفرعية الخلوية في شكل علامات حذف ويتم عرض برامج المعلوماتية الحيوية في مستطيلات. خطواتنا المضافة مظللة باللون الرمادي. إشارة استبقاء ER هي (K / D) - (D / E) -E-L في منطقة البروتين C الطرفية. يتم تصنيف البروتين على أنه بيروكسيسومال إذا تم العثور على الإشارة (S / A / C) - (K / R / H) - (L / M) أو S-S-L في المنطقة C- الطرفية.

لتقييم دقة خط الأنابيب المحسن ، قمنا بمقارنة تنبؤاتنا بـ Sunaga وآخرون.'s وتطويعات البروتين الخلوي المصدق عليها تجريبياً المأخوذة من [5،12،58–64]. باستخدام خط الأنابيب المكرر ، تزامن 15 من أصل 19 تنبؤات توطين خلوية مع البيانات التجريبية كما تم تلخيصها في الجدول 1.

يقارن الجدول تنبؤات توطين البروتين بالبيانات التجريبية. بالنسبة لجميع البروتينات المدروسة ، يتم إعطاء معرفات Phatr2 و Phatr3 وحالة نموذج الجين في Phatr3. إذا تم تعديل نماذج الجينات ، يتم تقديم تنبؤات خط الأنابيب لكلا النموذجين الجيني. نحن نميز بين نسختين من في السيليكو يشير خط الأنابيب الأصلي إلى الإصدار الذي نشرته Sunaga وآخرون. [57] والنسخة المحسنة هي النسخة المعروضة في هذه الدراسة. يتم تنسيق الإدخالات التي تم تحسينها بواسطة خط الأنابيب المحسن أو استخدام نماذج الجينات Phatr3 بشكل مائل. التناقضات بين التنبؤ والتوطين التجريبي موضحة بالخط العريض. ER: الشبكة الإندوبلازمية.

تحديد ونمذجة تكوين الكتلة الحيوية

من أجل حل نموذج مقياس الجينوم رياضيًا باستخدام FBA ، يتجلى النمط الظاهري الخلوي المرصود كوظيفة بيولوجية موضوعية [51]. هذه الوظيفة الموضوعية هي تفاعل استقلابي في النموذج يتم تكبيره أو تصغيره من أجل تحقيق الحالة المظهرية المرغوبة. من أجل محاكاة النمو الخلوي ، يتم تعريف المكونات الجزيئية للخلية على أنها الوظيفة الموضوعية (انظر الجدول L في ملف S2). تمثل هذه الوظيفة الهدف للكتلة الحيوية جميع المكونات الخلوية المعروفة ومساهماتها الجزئية في الكتلة الحيوية الخلوية الإجمالية ، وتحدد المتطلبات الابتنائية لتقسيم الخلايا ، وتوفر توازن الكتلة.

عادةً ما يتم إصلاح تركيبة الكتلة الحيوية المستخدمة في نماذج مقياس الجينوم غير المتجانسة بناءً على القيم المشتقة تجريبياً في حالة ثقافة معينة [65]. ومع ذلك ، فإن الكائنات الحية الضوئية لها تركيبة كتلة حيوية ديناميكية لا تتغير فقط عبر دورة الدييل ، ولكن أيضًا على مدار مدة الثقافة. في ص. tricornutum، التغيرات في الكتلة الحيوية في فترة الضوء يهيمن عليها توليد مركبات تخزين الكربون ، في حين أن الفترة المظلمة تهيمن عليها العمليات الابتنائية اللازمة لتقسيم الخلايا [66]. هناك أيضًا إعادة تشكيل دراماتيكية لتكوين الكتلة الحيوية الخلوية التي تصاحب الحد من المغذيات في الدياتومات [67].

High confidence intracellular flux predictions are dependent on the biomass composition being accurately reflected during the simulation. To this end, we determined ص. tricornutum’s biomass composition over a growth curve that resulted in nitrogen deprivation after the high accumulation of biomass (Fig 4). Selected samples of this growth curve were examined using time consuming biochemical methods for determining lipid, carbohydrate, and protein content of the cells. Parallel samples were used to develop linear models relating FTIR peaks to biomass composition (Fig A in S1 File). These calibrated models were then used to determine the biomass composition for all time points. The linear models are most robust when a large gradient for biomass composition values (i.e., percent lipid, protein, and carbohydrate) are achieved, thus our experiment was designed to maximize the changes in content. Nitrogen starvation, low CO2, and low light all can contribute to high lipid content and all three scenarios were achieved in our engineered culture experiment, resulting in very high lipid values at the end of the experiment (Fig 4C). The lipid values are elevated relative to previous experiments that examined more realistic bioproduction conditions, but this was planned and resulted in the expected fashion. We were able to achieve large changes in the cellular contents for all of these cellular components in smooth gradients.

A typical FTIR spectrum for Phaeodactylum tricornutum is shown in (A). Peaks corresponding to lipids, proteins and carbohydrates are highlighted (see Table A in S1 File for specific wavelengths). Panel (B) shows the growth curve and photosynthetic efficiency of the culture used for model calibrations and the biomass objective function. The decline in Fالخامس/Fم indicates the onset of nitrogen starvation (n = 1). Percent dry weight of the cells in terms of carbohydrates, lipids, and proteins according to FTIR spectra and the calibrated linear model (n = 5, error bars represent five independent FTIR scans) is displayed in (C).

Additionally, FAME data at each sample point was incorporated into the biomass composition via a linear optimization based fitting algorithm to ensure changes in fatty acid biosynthesis were taken into consideration during simulations (see Materials and Methods and Section B in S1 File). Interestingly, diatoms store large amounts of nitrogen in the cell in the form of inorganic compounds [30], probably in the vacuole [68]. A demand reaction for NO3 was added to account for cellular nitrate that has not yet been assimilated into other biomass components such as proteins but is included in the dry weight measurements. By defining the cellular composition at each sampling point, differences in the metabolic network usage could be analyzed along the duration of the culture.

Commonly, maximizing the biomass equation is selected as an appropriate objective function for the growth phenotype. Since cell division in ص. tricornutum is relegated to the dark period when cells are grown in a light-dark regimen, the common biological objective function of maximizing growth is not applicable to simulations during the light period. Thus, maximizing carbon uptake was selected as the biological objective function that best represents the cellular phenotype during the light period. Mass balance was achieved by allowing fixed carbon to accumulate as either carbohydrates or neutral lipids in accordance with previous observations of ص. tricornutum [66].


شاهد الفيديو: تدري! التمثيل الغذائي 09 (يونيو 2022).


تعليقات:

  1. Kazrajind

    أعتذر عن مقاطعةكم ، أود أيضًا التعبير عن رأيي.

  2. Abdalrahman

    أنا آسف ، لكن أعتقد أنك ترتكب خطأ.

  3. Doutilar

    ألا يمكنك أن تخطئ؟



اكتب رسالة