[論文レビュー] Computation Of Microbial Ecosystems in Time and Space (COMETS): An open source collaborative platform for modeling ecosystems metabolism

Ilija Dukovski, Djordje Bajić+11 more|arXiv (Cornell University)|Sep 3, 2020

Microbial Metabolic Engineering and Bioproduction参考文献 101被引用数 15

ひとこと要約

COMETS 2 は、空間的拡散、バイオマス拡張、進化的ダイナミクス、および細胞外酵素活性を組み込んだ、ゲノムスケール代謝モデリングを用いた時間的・空間的微生物エコシステムのシミュレーションを可能にするオープンソースで使いやすいプラットフォームです。PythonおよびMATLABインターフェースを介して COBRA ツールと統合されており、研究者が多様なバイオームにおける複雑な微生物コミュニティ行動を高い生物学的正確性とスケーラビリティでモデリングできるようにします。

ABSTRACT

Genome-scale stoichiometric modeling of metabolism has become a standard systems biology tool for modeling cellular physiology and growth. Extensions of this approach are also emerging as a valuable avenue for predicting, understanding and designing microbial communities. COMETS (Computation Of Microbial Ecosystems in Time and Space) was initially developed as an extension of dynamic flux balance analysis, which incorporates cellular and molecular diffusion, enabling simulations of multiple microbial species in spatially structured environments. Here we describe how to best use and apply the most recent version of this platform, COMETS 2, which incorporates a more accurate biophysical model of microbial biomass expansion upon growth, as well as several new biological simulation modules, including evolutionary dynamics and extracellular enzyme activity. COMETS 2 provides user-friendly Python and MATLAB interfaces compatible with the well-established COBRA models and methods, and comprehensive documentation and tutorials, facilitating the use of COMETS for researchers at all levels of expertise with metabolic simulations. This protocol provides a detailed guideline for installing, testing and applying COMETS 2 to different scenarios, with broad applicability to microbial communities across biomes and scales.

研究の動機と目的

• 空間的組織化と動的代謝相互作用を考慮したスケーラブルでオープンソースのプラットフォームを構築すること。
• 構造化された環境における現実的なバイオマス拡張と分子拡散を組み込んだ動的フラックスバランス分析（dFBA）の拡張。
• 統一された代謝モデリングフレームワークに進化的ダイナミクスと細胞外酵素活性を統合すること。
• すべての専門知識レベルの研究者に利用可能な、アクセスしやすく、文書化が整った Python および MATLAB インターフェースの提供。
• 多様な生態的およびバイオテクノロジー的文脈における微生物コミュニティに広く応用可能なプラットフォームの構築。

提案手法

• 2次元または3次元のグリッドベースの環境において、代謝物および細胞の空間的分解能を持つ拡散を動的フラックスバランス分析（dFBA）に拡張。
• 細胞の成長と力学的制約を生物学的に正確に再現するバイオマス拡張のモデリング。
• 細胞外酵素の分泌と活性を組み込み、空間的条件下での基質分解と栄養素の放出をシミュレーション可能に。
• 集団レベルのフレームワークを用いて突然変異と選択を介し、環境条件に適応する進化的ダイナミクスを導入。
• COBRA互換の代謝モデルを入力とすることで、既存のゲノムスケールモデルと互換性を確保。
• シミュレーションのセットアップ、実行、解析に適した、モジュラーよりも拡張性の高いアーキテクチャを提供する Python および MATLAB API を備える。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ゲノムスケール代謝モデルは、どのように空間的に構造化された環境における微生物コミュニティをシミュレートするために拡張できるか？
• RQ2 空間的組織化は、微生物エコシステムにおける代謝相互作用およびコミュニティ安定性にどのように寄与するか？
• RQ3 細胞外酵素活性は、時間の経過とともに栄養素の可用性およびコミュニティ構成にどのように影響を与えるか？
• RQ4 進化的ダイナミクスは、動的代謝シミュレーションにどの程度統合可能であり、微生物コミュニティの適応を予測するのに有効か？
• RQ5 統一的でオープンソースのプラットフォームは、多様なバイオームにわたり、再現可能でスケーラブルな微生物エコシステムモデリングを可能にするか？

主な発見

• COMETS 2 は、現実的なバイオマス拡張と拡散を伴う、空間的に構造化された環境における微生物コミュニティダイナミクスを効果的にシミュレートした。
• 細胞外酵素活性の組み込みにより、不均一な環境における基質利用と栄養循環の正確なモデリングが可能になった。
• COMETS 2 における進化的ダイナミクスにより、選択的圧力下で酵素分泌などの適応的特性が出現した。
• プラットフォームは COBRA モデルと互換性があり、多様な微生物コミュニティ構成における再現可能なシミュレーションを実現した。
• 使いやすいインターフェースと包括的なドキュメンテーションにより、高度なプログラミングスキルがなくても研究者が容易に利用できるようになった。
• プラットフォームは、生物学的に意味のあるスケールで複雑な多種多様なエコシステムをシミュレート可能であり、合成生態学および環境微生物学の応用を支援した。