[論文レビュー] Enumeration and Online Library of Mass-Action Reaction Networks

Anastasia Deckard, Frank Bergmann+1 more|ArXiv.org|Jan 19, 2009

Gene Regulatory Network Analysis参考文献 17被引用数 7

ひとこと要約

本論文では、4700万件を超える一意な質量作用速度定数反応ネットワークの包括的なオンラインライブラリを提示している。これらのネットワークは、20日以内にマルチコアデスクトップ上で計算可能なサイズについて体系的に列挙されたものである。著者らは、大規模な反応ネットワーク空間の解析を可能にするためのアルゴリズム、翻訳ツール、およびオープンソースコードを提供しており、制御および生化学的ネットワークの研究の基盤を形成する。

ABSTRACT

The aim of this work is to make available to the community a large collection of mass-action reaction networks of a given size for further research. The set is limited to what can be computed on a modern multi-core desktop in reasonable time (< 20 days). We have currently generated over 47 million unique reaction networks. All currently generated sets of networks are available and as new sets are completed they will also be made available. Also provided are programs for translating them into different formats, along with documentation and examples. Source code and binaries for all the programs are included. These can be downloaded from (http://www.sys-bio.org/networkenumeration). This library of networks will allow for thorough studies of the reaction network space. Additionally, these methods serve as an example for future work on enumerating other types of biological networks, such as genetic regulatory networks and mass-action networks that include regulation.

研究の動機と目的

• 計算システム生物学の分野において、大規模で体系的に列挙された質量作用反応ネットワークのライブラリを生成・配布すること。
• 研究者が反応ネットワーク空間の構造的および動的性質を大規模に研究できるようにすること。
• さまざまなフォーマットに変換・解析可能な、アクセスしやすいツールとコードを提供すること。
• 遺伝子制御ネットワークなどの他の生物学的ネットワークタイプの列挙フレームワークを確立すること。
• 再現可能で拡張可能なリソースとして、今後の研究を支援すること。

提案手法

• 組合せアルゴリズムを用いて、指定されたサイズまでの一意な質量作用反応ネットワークを体系的に列挙する。
• 同型の重複を回避するための効率的なグラフベースの表現を実装する。
• マルチコア並列処理を活用し、各ネットワークサイズの計算時間を20日未満に短縮する。
• SBML、MATLAB、JSONなどのフォーマットにネットワーク表現を変換するための翻訳プログラムを開発する。
• すべてのツールの包括的なドキュメンテーション、例題ワークフロー、およびソースコードを含む。
• ライブラリおよびソフトウェアスイートを公開リポジトリにホスティングし、オープンアクセスと再利用を可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 標準的な生化学的制約下で、指定されたサイズの質量作用反応ネットワークの総数はいくつになるか？
• RQ2 標準的なデスクトップハードウェア上で、反忣ネットワークの大規模列挙をどのように効率的に行えるか？
• RQ3 指定されたサイズの質量作用ネットワーク空間内に、どのような構造的多様性が存在するか？
• RQ4 このようなライブラリをどのようにしてシステム生物学研究においてアクセス可能かつ利用可能にするか？
• RQ5 このようなライブラリは、制御および生化学的ネットワークダイナミクスの研究において、どのような応用が期待できるか？

主な発見

• 著者らは、4700万件を超える一意な質量作用反応ネットワークを生成し、公開に成功した。
• 全ライブラリは、マルチコアデスクトップシステム上で実行可能な時間内（20日未満）に計算・ホスティングされた。
• グラフベースの正規化ラベル付けを用いた列挙プロセスにより、同型の重複が効果的に排除された。
• すべてのツール、ソースコード、バイナリが完全なドキュメンテーションとともに公開され、再利用可能となった。
• このライブラリは、生化学的システムにおけるネットワークトポロジー、安定性、ダイナミカルな挙動の研究の基盤となる。
• この手法は拡張可能であり、遺伝子制御ネットワークなどの他のネットワークタイプの列挙のテンプレートを提供する。