Analýza biologických sítí PA052: Úvod do systémové biologie David Šafránek 13.10.2011 INVESTICE DŮ ROZVOJE VZDĚLÁVANÍ Analýza biologických sítí Obsah Analýza biologických sítí Analýza biologických sítí Obsah Analýza biologických sítí Analýza biologických sítí Modelový prostor v systémové biologii Required Knowledge Analýza biologických sítí Rekonstrukce metabolických sítí v kontextu genomu Genome scale metabolic network 1. Genoms sequencing Lee KY et al (2010) "The genome-scale metabolic network analysis of Zymomonas mobilis ZM4 explains physiological features and suggests ethanol and succinic acid production strategies." Microbial Cell Factories 9:94. doi:10.1186/1475-2859-9-94 Analýza biologických sítí Rekonstrukce metabolických sítí v kontextu genomu riKQrh^rrl+ M A a+ 11 (Ot~\t~\a\ "Annlii-^+innc nf ^nxm^c^L mo+^hnlir ramnctnrtinnc " Mni ^wct Rinl R-^OD Analýza biologických sítí j | Archaea D Eukaryota Q Bacteria Analýza biologických sítí Základní workflow analýzy metabolických sítí Network meta balk; model v • zasazení high-throughput dat do kontextu metabolické sítě • obohacení anotace genomu • statická analýza funčních stavů • dále: integrace s genovou regulační sítí Analýza biologických sítí Známé aplikace rekonstrukce metabolických sítí • objasnění významu metabolických drah a jejich využití • objev genu cimA v Geobacter sulfurreducens (EC 2.3.1.182) • časování transkripční regulace S. cerevisiae • analýza rozdílů drah mezi podobnými organismy • detekce redundantních drah a metabolických cílů léčiv • cílené řízení organismu • škálování produkce vakcíny proti meningitídě • zvýšení frekvence dýchání G. sulfurreducens • zefektivnění fermentace 5. cerevisiae Analýza biologických sítí Produkce a spotřeba metabolitů E. coli spotřeba glukózy a produkce biomasy spotřeba glycero a biologických síti Co je metabolická sít? • formální popis vztahů mezi metabolity => graf vs. matice (tzv. stechiometrická matice) • zachycuje tok hmoty • spotřeba (up-take) • produkce (growth) Analýza biologických sítí Popis stechiometrické matice reakce meta bol it- . stechiometrický koeficient /_ _ _ ::::::::::::::: :...................................................... konektivita q5 E o u aj in Analýza biologických sítí Analýza biologických síti Toky v metabolické síti 2A+B ->C + A C ^A + B metabolity ve vysokém molárním množství => uvažujeme molární koncentraci [M = mol ■ Analýza biologických sítí Toky v metabolické síti v infinitesimálním časovém úseku probíhá mnoho reakcí => uvažujeme okamžitý tok reakce (flux) [M • s_1] Analýza biologických sítí Analýza biologických sítí Význam stechiometrické matice • distribuce reakčního toku do změn jednotlivých metabolitů 1[X] = S.Í • zastavení metabolismu jfi[X] = 0: 1[X] = S.Í 0 = S-v • každé řešení v této lineární soustavy je "vyvážená" distribuce reakčního toku (implikující rovnovážný stav charakterizovaný nulovou změnou koncentrací metabolitů) • báze prostoru řešení (tzv. nulového prostoru) daná jádrem K: S ■ K{i) = 0 Analýza biologických sítí Význam stechiometrické matice i -i o i o o o o 0-1 o 0 0 0 -1 O 1 0 1-1 K 1 0 " 1 1 " 1 -1 1 0 1 -1 K' = 1 0 1 0 1 1 0 1 0 1 0 1 0 1 • K nelze přímo chemicky interpretovat (možnost záporných prvků) • tok elementárními (ireversibilními) reakcemi nemůže být záporný! • proto se používá transformace do konvexní báze (zde K') Analýza biologických sítí Využití nulového prostoru 1 0 0 -1 0 0 -1 0 0 1 0 0 -1 -1 0 0 0 0 -1 0 0 0 0 1 0 0 0 -1 -1 0 0 1 0 0 0 1 0 -1 0 0 0 0 0 0 1 0 -1 0 0 0 0 0 0 1 1 -1 Engl HW (2009) "Inverse problems in systems biology." Inverse Problems 25:123014. doi:10.1088/0266-5611, Analýza biologických sítí Elementární módy metabolismu Engl HW (2009) "Inverse problems in systems biology." Inverse Problems 25:123014. doi:10.1088/0266-5611/25/12/123014 Analýza biologických sítí Elementární módy metabolismu Schuster S et al (1999), "Detection of elementary flux modes in biochemical networks: a promising tool for pathway analysis and metabolic engineering." Trends Biotechnol 17:53-60. doi:10.1016/S0167-7799(98)01290-6 biologických síti Analýza metabolismu s omezeními • jak omezit prostor všech funkčních stavů metabolismu? • řešením je klást omezující podmínky zastavení metabolismu, positivní toky, shora omezené toky S«v=0 v,>0 ľiSľi,™ Analýza biologických sítí Analýza metabolismu s omezeními optimalizací • za předpokladu konstantního rozložení biomasy c lze hledat takové funkční stavy, které optimalizují (např. maximalizují) tvorbu biomasy • k omezujícím podmínkám přidáme optimalizační podmínku • řešení optimalizačního problému max cTv s omezeními: Sv = 0,0 < v, < vrax • tzv. flux balance analysis (FBA) biologických siti Analýza metabolismu s omezeními optimalizací Flux Balance Analysis 0.74 Analýza biologických sítí Analýza metabolismu s omezeními optimalizací Flux Balance Analysis L 10 ATP AA1 AA2 Analýza biologických sítí Analýza metabolismu s omezeními optimalizací Flux Balance Analysis L ► 10 ATP AA1 AA2 The BOF: 1 L + 3 AA1 + 6 AA2 -> 1 g biomass Analýza biologických síti Analýza metabolismu s omezeními optimalizací Flux Balance Analysis G -I 1.0 !-► P1 —► T I P2 Y -► 10 ATP ATP AA1 AA2 The BOF: 1 L + 3 AA1 + 6 AA2 -> 1 g biomass Analýza biologických síti Analýza metabolismu s omezeními optimalizací Flux Balance Analysis Ĺ ATP L I 0.09 G -I y !-► P1 -| 0.74 K P2 -j 0-13 K 10 ATP 0.26 I AA1 roinATp AA2 I 009 L The BOF: 11 L + 3 AA1 + 6 AA2 -> 1 g biomass Analýza biologických sítí Analýza funkčních stavů metabolismu Přehled metod Analýza biologických sítí Integrace s genovou regulací • časová škála genové regulace řádově pomalejší • lze využít při integrované analýze • regulated FBA (rFBA) reakce aktivní/neaktivní wrt aktuální "nastaveni"' regulační logiky • detekce aktivity transkripčních faktorů skrz mimobuněčné koncentrace metabolitů biologických siti Literatura Kitano, H. Foundations of Systems Biology. MIT Press, 2001. Palsson, B. Systems Biology: Properties of Reconstructed Networks. Cambridge University Press, 2006. Rigoutsos, I. and Stephanopoulos, G. Systems Biology Volume II: Networks, Models, and Applications. Oxford University Press, 2004. Klipp, E. et al. Systems Biology in Practise: Concepts, Implementation and Application. Wiley-VCH, 2005.