[論文レビュー] Removing both Internal and Unrealistic Energy-Generating Cycles in Flux Balance Analysis

Εlad Noor|arXiv (Cornell University)|Mar 13, 2018

Microbial Metabolic Engineering and BioproductionBiochemistry, Genetics and Molecular Biology参考文献 30被引用数 17

ひとこと要約

本稿では、エネルギー通貨代謝物質（ATP、ピロリン酸、プロトン勾配など）にのみ選択的に熱力学的制約を課すことにより、熱力学的に不実在のエネルギー生成サイクル（EGC）を排除する、半熱力学的FBA（st-FBA）という新しい制約ベースのモデリング手法を紹介する。本手法は、広範な熱力学的パラメータを必要とせず、内部的かつ無意味なサイクルを効果的に除去しながら生物学的に意味のあるフラックス分布を保持する。これは、ループレスFBAや完全熱力学的FBAの両者に比べ、計算的に効率的で生物学的に現実的な代替手法を提供する。

ABSTRACT

Constraint-based stoichiometric models are ubiquitous in metabolic research, with Flux Balance Analysis (FBA) being the most widely used method to describe metabolic phenotypes of cells growing in steady-state. Of the many variants of constrain-based modelling methods published throughout the years, only few have focused on thermodynamic issues, in particular the elimination of non-physical and non-physiological cyclic fluxes. In this work, we revisit two of these methods, namely thermodynamic FBA and loopless FBA, and analyze the strengths and weaknesses of each one. Finally, we suggest a compromise denoted semi-thermodynamic FBA (st-FBA) which imposes stronger thermodynamic constrains on the flux polytope compared to loopless FBA, without requiring a large set of thermodynamic parameters as in the case of thermodynamic FBA. We show that st-FBA is a useful and simple way to eliminate thermodynamically infeasible cycles that generate ATP.

研究の動機と目的

• フラックスバランス解析（FBA）における、基質供給なしにATPを生成するような熱力学的に不実在のフラックスサイクルの持続的問題に対処すること。
• 既存手法の限界を克服すること：熱力学的FBA（TFBA）は広範な熱力学的パラメータを必要とし、ループレスFBA（ll-FBA）はすべてのエネルギー生成サイクルを排除できないこと。
• ll-FBAよりも強い熱力学的制約を課すが、TFBAほどのデータ集約的パrameterizationを避ける妥協的アプローチを開発すること。
• 特にゲノムスケール代謝モデルにおいて、生物学的に現実的なフラックス分布のみを保持すること。

提案手法

• st-FBAは、標準FBAを拡張し、ATP、ピロリン酸、プロトンなどのエネルギー通貨代謝物質に限定して、標準変換ギブズ自由エネルギー生成（$\Delta_{f}G'^{\prime}$）に境界を設ける。
• ループレスFBAと同様に、混合整数線形プログラミング（MILP）の定式化を用い、バイナリ変数を用いて反応の進行方向を熱力学的妥当性に基づいて制御する。
• ATPの生理的濃度範囲（例：1 mM）に相当する$\Delta_{f}G'^{\prime}$値を、主要なエネルギーキャリアに固定するが、他の代謝物質には制約を課さない。
• 前向き反応に対して$\Delta_{r}G'^{\prime} \leq -\varepsilon$、逆向き反応に対して$\geq \varepsilon$となるように制約を適用し、熱力学的に妥当なフラックス方向を保証する。
• 内部ストイキオメトリック行列（$\ker(\mathbf{S}_{\text{int}})^\perp$）の核を用いて、代謝物生成エネルギーから反応ギブズ自由エネルギーを計算する。
• ネットワーク埋め込み半熱力学的解析（NEST）を用い、ネットワーク全体におけるフラックス分布の熱力学的妥当性を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 完全な熱力学的パrameterizationを必要とせず、ループレスFBAよりも効果的にエネルギー生成サイクル（EGC）を排除できる手法を開発できるか？
• RQ2 エネルギー通貨代謝物質にのみ選択的熱力学的制約を課すことで、FBAの解の生物学的現実性がどの程度向上するか？
• RQ3 st-FBAは、ループレスFBAや熱力学的FBAと比較して、内部的および無意味なサイクルをどの程度効果的に排除しながら、生理的に意味のあるフラックス分布を保持できるか？
• RQ4 ATP、H+ などの少数の代謝物質にのみ制約を課すと、ゲノムスケールモデル全体の解空間にどのような影響が生じるか？

主な発見

• st-FBAは、基質供給なしにATPを生成する内部サイクルを含め、すべての熱力学的に不実在のエネルギー生成サイクル（EGC）を効果的に排除した。
• 本手法は、ATP、ピロリン酸、H+ などの主要なエネルギー通貨代謝物質の生成エネルギーにのみ制約を課すことで、広範な熱力学的データの必要性を回避した。
• ループレスFBAと比較して、st-FBAはより強い熱力学的制約を課しており、ll-FBAが排除できないサイクルをも排除できた。
• 熱力学的FBAと比較して、st-FBAは必要なパラメータ数がはるかに少なく、大規模モデルに適用する上ではるかに実用的である。
• COBRApyへの実装により、st-FBAが計算的に効率的であり、既存のFBAワークフローへの容易な統合が可能であることが確認された。
• NEST解析により、st-FBAの解はすべての反応で熱力学的に妥当であり、$\Delta_{r}G'^{\prime} \leq -\varepsilon$ または $\geq \varepsilon$ の制約に違反する反応は存在しなかった。