[논문 리뷰] Computation Of Microbial Ecosystems in Time and Space (COMETS): An open source collaborative platform for modeling ecosystems metabolism

Ilija Dukovski, Djordje Bajić외 11명|arXiv (Cornell University)|2020. 09. 03.

Microbial Metabolic Engineering and Bioproduction참고 문헌 101인용 수 15

한 줄 요약

COMETS 2는 시공간적 분포, 대사 활성, 생물량 확장, 진화적 동역학, 세밀한 효소 활성 등을 통합한 게놈 규모 대사 모델링을 기반으로 시간과 공간에서 미생물 생태계를 시뮬레이션할 수 있는 오픈소스이자 사용자 친화적인 플랫폼이다. 이 플랫폼은 파이썬 및 매트랩 인터페이스를 통해 COBRA 도구와 통합되어 다양한 생태계와 생물공학적 맥락에서 높은 생물학적 정확도와 확장성을 갖춘 복잡한 미생물 공동체 행동을 모델링할 수 있도록 한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 공간적 조직과 동적 대사 상호작용을 고려한 확장성 있고 오픈소스의 플랫폼을 개발하여 미생물 생태계를 시뮬레이션하는 것.
• 구조화된 환경에서 실제 생물량 확장과 분자 확산을 통합함으로써 동적 플럭스 균형 분석을 보완하는 것.
• 통합된 대사 모델링 프레임워크에 진화적 동역학과 세밀한 효소 활성을 통합하는 것.
• 모든 전문 수준의 연구자들이 접근할 수 있도록 파이썬 및 매트랩 인터페이스를 통해 잘 문서화된 인터페이스를 제공하는 것.
• 다양한 생태적 및 생물공학적 맥락에서 미생물 공동체에 광범위하게 적용 가능한가를 검증하는 것.

제안 방법

• 2차원 또는 3차원 격자 기반 환경에서 대사물질과 세포의 공간적으로 해상도가 높은 확산을 포함한 동적 플럭스 균형 분석(dFBA)을 확장한다.
• 세포 성장과 기계적 제약 조건을 생물물리적으로 정확하게 표현한 방식으로 미생물 생물량 확장을 모델링한다.
• 세포외 효소 분비 및 활성을 통합하여 공간적으로 비균일한 환경에서 기질 분해와 영양소 방출을 시뮬레이션할 수 있도록 한다.
• 개체군 수준의 프레임워크에서 돌연변이와 자연선택을 통해 진화적 동역학을 도입하여 환경 조건에 대한 적응 가능성을 제공한다.
• COBRA 호환 대사 모델을 입력으로 사용하여 기존의 게놈 규모 모델과의 호환성을 확보한다.
• 파이썬 및 매트랩 API를 통해 시뮬레이션 설정, 실행 및 분석을 위한 모듈식이고 확장 가능한 아키텍처를 제공한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 게놈 규모 대사 모델은 어떻게 공간적으로 구조화된 환경에서의 미생물 공동체를 시뮬레이션할 수 있도록 확장될 수 있는가?
• RQ2 공간적 조직은 미생물 생태계에서 대사 상호작용과 공동체 안정성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 세포외 효소 활성은 시간이 지남에 따라 영양소 가용성과 공동체 구성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 진화적 동역학은 동적 대사 시뮬레이션에 얼마나 잘 통합되어 미생물 공동체의 적응을 예측할 수 있는가?
• RQ5 통합된 오픈소스 플랫폼은 다양한 생태계에서 재현 가능하고 확장 가능한 미생물 생태계 모델링을 가능하게 하는가?

주요 결과

• COMETS 2는 실제 생물량 확장과 확산을 고려한 공간적으로 구조화된 환경에서의 미생물 공동체 동역학을 성공적으로 시뮬레이션하였다.
• 세포외 효소 활성의 통합은 이질적인 환경에서 기질 이용과 영양소 순환을 정확하게 모델링할 수 있도록 하였다.
• COMETS 2의 진화적 동역학은 선택 압력 하에서 효소 분비와 같은 적응적 특성이 나타나는 것을 가능하게 하였다.
• 플랫폼은 COBRA 모델과 호환되며 다양한 미생물 공동체 구성에 걸쳐 재현 가능한 시뮬레이션을 수행함을 입증하였다.
• 사용자 우호적인 인터페이스와 철저한 문서화로 고도의 프로그래밍 전문 지식이 없는 연구자들이 접근하는 데 있어 장벽이 크게 낮아졌다.
• 플랫폼은 생물학적으로 의미 있는 규모에서 복잡한 다종 미생물 생태계를 시뮬레이션할 수 있었으며, 합성 생태학 및 환경 미생물학 분야의 응용을 지원하였다.