[논문 리뷰] Creation and analysis of biochemical constraint-based models: the COBRA Toolbox v3.0

Laurent Heirendt, Sylvain Arreckx외 53명|arXiv (Cornell University)|2017. 10. 11.

Microbial Metabolic Engineering and Bioproduction참고 문헌 27인용 수 94

한 줄 요약

tldr: 이 논문은 COBRA Toolbox 3.0, 확장된 제약 기반 재구성 및 분석 방법을 갖춘 오픈 소스 MATLAB 기반 플랫폼으로, 다중 언어 및 솔버와의 인터페이스를 통해 포괄적인 게놈 규모 대사 모델링 및 데이터 통합을 가능하게 한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 단일의 통합 도구상자 내에서 제약 기반 재구성 및 분석(COBRA) 방법을 발전시키다.
• 품질 관리, 재구성, 토폴로지 분석, 설계, 시각화 및 데이터 통합 기능을 향상시키다.
• 멀티오믹스 데이터 통합, 고정밀 솔버, 다중 규모 및 다세포 모델링을 지원하다.
• 다국어 코드 통합 및 다양한 프로그래밍 환경과의 상호 운용성을 제공하다.
• 재현성, 문서화 및 커뮤니티 참여를 촉진하여 광범위한 생물학 및 생명공학 응용에 기여하다.

제안 방법

• 품질 관리가 된 재구성과 확장된 모델링 기능을 포함하도록 COBRA 프레임워크를 확장하다.
• 다중 최적화 솔버와의 통합 및 열역학적, 동역학적, 다중 스케일 모델링에 대한 지원.
• SBML 플럭스 밸런스 제약을 포함한 재구성에 대한 입력/출력 표준을 제공하다.
• C, FORTRAN, Julia, Perl, Python 등의 언어와 성능을 위한 프리컴파일된 바이너리의 다국어 통합을 제공하다.
• 사용자 참여 및 재현성을 지원하기 위한 튜토리얼, 문서화 및 온라인 포럼을 포함하다.
• 시각화 및 네트워크 분석, 게놈 규모의 동역학 모델링, 맥락 특정 데이터 통합을 가능하게 하다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 단일 도구 상자에서 제약 기반 재구성 및 분석을 어떻게 확장하고 표준화할 수 있는가?
• RQ2 재구성 품질, 토폴로지 분석 및 데이터 통합을 위해 COBRA Toolbox 3.0이 어떤 새로운 방법과 인터페이스를 제공하는가?
• RQ3 다중 오믹스 데이터와 열역학적 제약을 이 도구 상자 내의 게놈 규모 모델에 어떻게 포함시킬 수 있는가?
• RQ4 다국어 및 다중 솔버 지원이 대규모 모델링의 성능과 사용성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 제약 기반 모델링의 재현성과 커뮤니티 참여를 어떻게 강화할 수 있는가?

주요 결과

• COBRA Toolbox 3.0은 품질 관리된 재구성, 모델링, 토폴로지 분석, 균주 설계, 네트워크 시각화 및 데이터 통합에 대한 확장된 방법을 제공합니다.
• 다중 솔버, 새로운 최적화 방법 및 다중 스케일 및 반응-동역학 모델링을 위한 고정밀 계산을 제공합니다.
• 이 도구 상자는 대사체학, 전사체학, 단백질체학 및 열화학 데이터의 통합과 원자 수준으로 해상된 재구성을 지원합니다.
• 광범위한 문서, 튜토리얼, 커뮤니티 포럼이 있는 전용 openCOBRA 프로젝트로 협업을 촉진합니다.
• COBRA Toolbox 3.0은 다국어 지원 및 상호 운용성이 뛰어나 MATLAB과 C, FORTRAN, Julia, Python 등의 인터페이스를 통해 사용할 수 있습니다.
• 이 프로토콜은 분석을 재현하도록 돕는 내러티브와 튜토리얼을 통해 재현성을 강조합니다.