[論文レビュー] Creation and analysis of biochemical constraint-based models: the COBRA Toolbox v3.0

Laurent Heirendt, Sylvain Arreckx+53 more|arXiv (Cornell University)|Oct 11, 2017

Microbial Metabolic Engineering and Bioproduction参考文献 27被引用数 94

ひとこと要約

この論文は COBRA Toolbox 3.0 を紹介します。これは拡張された制約ベースの再構築と解析手法を備えたオープンソースの MATLAB ベースプラットフォームで、複数の言語とソルバーと連携し、ゲノム規模代謝モデリングとデータ統合を包括的に可能にします。

ABSTRACT

COnstraint-Based Reconstruction and Analysis (COBRA) provides a molecular mechanistic framework for integrative analysis of experimental data and quantitative prediction of physicochemically and biochemically feasible phenotypic states. The COBRA Toolbox is a comprehensive software suite of interoperable COBRA methods. It has found widespread applications in biology, biomedicine, and biotechnology because its functions can be flexibly combined to implement tailored COBRA protocols for any biochemical network. Version 3.0 includes new methods for quality controlled reconstruction, modelling, topological analysis, strain and experimental design, network visualisation as well as network integration of chemoinformatic, metabolomic, transcriptomic, proteomic, and thermochemical data. New multi-lingual code integration also enables an expansion in COBRA application scope via high-precision, high-performance, and nonlinear numerical optimisation solvers for multi-scale, multi-cellular and reaction kinetic modelling, respectively. This protocol can be adapted for the generation and analysis of a constraint-based model in a wide variety of molecular systems biology scenarios. This protocol is an update to the COBRA Toolbox 1.0 and 2.0. The COBRA Toolbox 3.0 provides an unparalleled depth of constraint-based reconstruction and analysis methods.

研究の動機と目的

• 単一の統合ツールボックス内で制約ベース再構築・解析（COBRA）手法を先進化させる。
• 品質管理、再構築、トポロジー分析、設計、可視化、およびデータ統合機能を強化する。
• マルチオミクスデータ統合、高精度ソルバー、マルチスケール・マルチセルラーモデリングをサポートする。
• 多言語コード統合と多様なプログラミング環境との相互運用性を提供する。
• 再現性、ドキュメンテーション、およびコミュニティの関与を促進し、広範な生物学・バイオ技術応用に対応する。

提案手法

• 品質管理済み再構築と拡張モデリング能力を含む COBRA フレームワークを拡張する。
• 複数の最適化ソルバーと熱力学、動力学、マルチスケールモデリングのサポートを統合する。
• SBML フラックスバランス制約を含む再構築の入出力標準を提供する。
• C、FORTRAN、Julia、Perl、Python などの言語との多言語統合と高性能の事前コンパイルバイナリを提供する。
• チュートリアル、ドキュメント、オンラインフォーラムを提供し、ユーザーの参加と再現性を支援する。
• 可視化とネットワーク分析、ゲノム規模の動力学モデリング、コンテキスト特異データ統合を可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 制約ベースの再構築と解析を単一のツールキットでどのように拡張・標準化できるか。
• RQ2 再構築品質、トポロジー分析、データ統合のために COBRA Toolbox 3.0 が提供する新しい手法とインターフェースは何か。
• RQ3 このツールボックス内でマルチオミクスデータと熱力学制約をゲノム規模モデルに取り込むにはどうするか。
• RQ4 大規模モデリングにおける多言語・多ソルバ対応が性能と使い勝手に与える影響は何か。
• RQ5 制約ベースのモデリングの再現性とコミュニティ参加をどのように高めるか。

主な発見

• COBRA Toolbox 3.0 は品質管理された再構築、モデリング、トポロジー分析、株式デザイン、ネットワーク可視化、データ統合の拡張手法を提供します。
• 複数のソルバー、新しい最適化アプローチ、およびマルチスケール・反応動力学モデリングの高精度計算をサポートします。
• このツールボックスは代謝データ、転写データ、タンパク質データ、および熱化学データの統合と原子分解レベルの再構築をサポートします。
• 豊富なドキュメンテーション、チュートリアル、およびコミュニティフォーラムを備えた openCOBRA プロジェクトが協力を促進します。
• COBRA Toolbox 3.0 は多言語対応・相互運用性を備え、MATLAB での使用と C、FORTRAN、Julia、Python などへのインターフェースを可能にします。
• プロトコルは再現性を重視し、分析を再現するための語り口とチュートリアルを提供します。