[논문 리뷰] Enumeration and Online Library of Mass-Action Reaction Networks

Anastasia Deckard, Frank Bergmann외 1명|ArXiv.org|2009. 01. 19.

Gene Regulatory Network Analysis참고 문헌 17인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 다중 코어 데스크톱에서 20일 이내로 계산 가능한 크기까지 체계적으로 정렬된 4700만 건이 넘는 고유한 질량작용 반응 네트워크의 포괄적인 온라인 라이브러리를 제시한다. 저자들은 대규모 반응 네트워크 공간의 분석을 가능하게 하고, 규제 및 생화학적 네트워크 연구의 기초가 되도록 알고리즘, 번역 도구, 오픈소스 코드를 제공한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 계산 시스템 생물학을 위해 표준 생화학적 제약 조건 하에서 대규모로 체계적으로 정렬된 질량작용 반응 네트워크 라이브러리를 생성하고 배포하기 위해.
• 연구자들이 대규모로 반응 네트워크 공간의 구조적 및 역학적 성질을 연구할 수 있도록 하기 위해.
• 다양한 형식으로 네트워크를 변환하고 분석할 수 있도록 접근 가능한 도구와 코드를 제공하기 위해.
• 유전 조절 네트워크와 같은 다른 생물학적 네트워크 유형의 정렬을 위한 프레임워크를 구축하기 위해.
• 네트워크 정렬 및 분석을 위한 재현 가능하고 확장 가능한 자원을 제공함으로써 향후 연구를 지원하기 위해.

제안 방법

• 조합 알고리즘을 사용하여 지정된 크기까지의 고유한 질량작용 반응 네트워크를 체계적으로 정렬하기 위해.
• 등형성 중복을 방지하기 위해 그래프 기반의 효율적 표현 방식을 구현하기 위해.
• 계산 시간을 20일 이내로 줄이기 위해 다중 코어 병렬 처리를 적용하기 위해.
• SBML, MATLAB, JSON 등의 형식으로 네트워크 표현을 변환할 수 있는 번역 프로그램을 개발하기 위해.
• 모든 도구에 대한 포괄적인 문서화, 예제 워크플로우, 소스 코드를 포함하기 위해.
• 공개 저장소에 전체 라이브러리와 소프트웨어 세트를 호스팅하여 접근성과 재사용을 보장하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 표준 생화학적 제약 조건 하에서 주어진 크기의 고유한 질량작용 반응 네트워크의 총 수는 얼마인가?
• RQ2 표준 데스크톱 하드웨어에서 반응 네트워크의 대규모 정렬을 효율적으로 수행할 수 있는 방법은 무엇인가?
• RQ3 주어진 크기의 질량작용 네트워크 공간 내에서의 구조적 다양성은 어떠한가?
• RQ4 이러한 라이브러리가 시스템 생물학 연구에서 어떻게 접근 가능하고 사용 가능하게 만들 수 있는가?
• RQ5 이러한 라이브러리의 잠재적 응용 분야는 규제 및 생화학적 네트워크 역학 연구에 어떻게 기여할 수 있는가?

주요 결과

• 저자들은 4700만 건이 넘는 고유한 질량작용 반응 네트워크를 성공적으로 생성하고 공개했다.
• 전체 라이브러리가 다중 코어 데스크톱 시스템에서 타당한 시간 내(20일 이내) 계산되고 호스팅되었다.
• 그래프 기반의 표준 라벨링을 사용하여 등형성 중복을 효과적으로 제거하는 정렬 과정이 수행되었다.
• 모든 도구, 소스 코드, 바이너리 파일이 완전한 문서화와 함께 개방되어 재사용 가능하게 공개되었다.
• 이 라이브러리는 생화학적 시스템에서 네트워크 구조, 안정성, 역학적 거동 연구의 기초 자원으로 기능한다.
• 이 메서드는 확장 가능하며, 유전 조절 네트워크와 같은 다른 네트워크 유형의 정렬을 위한 템플릿을 제공한다.