[논문 리뷰] Striking a balance with Recon 2.1

Kieran Smallbone|arXiv (Cornell University)|2013. 11. 22.

Microbial Metabolic Engineering and Bioproduction참고 문헌 18인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 인간 대사망원재구성인 Recon 2의 탄소 균형 버전인 Recon 2.1을 제안한다. 일반 대사산물들을 특정 분자 형태로 대체하여 원소 불균형을 제거함으로써, 이전에는 비합리적인 탄소 생성을 허용했던 반응을 해결하고, 신뢰할 수 있는 제약 기반 모델링을 가능하게 한다. 결과적으로 모델는 완전히 원소 균형을 이루며, 반응 수가 71,159개로 확장되어 체계생물학 응용 분야에서 예측 정확도가 크게 향상된다.

ABSTRACT

Recon 2 is a highly curated reconstruction of the human metabolic network. Whilst the network is state of the art, it has shortcomings, including the presence of unbalanced reactions involving generic metabolites. By replacing these generic molecules with each of their specific instances, we can ensure full elemental balancing, in turn allowing constraint-based analyses to be performed. The resultant model, called Recon 2.1, is an order of magnitude larger than the original.

연구 동기 및 목표

• 일반 대사산물, 특히 지방산 반응에서 발생하는 원소 불균형을 해결하여 비합리적인 탄소 생성을 방지한다.
• 일반 R기의 고정된 탄소 수를 할당하고 스토이키오메트리 계수를 조정하여 모든 반응에서 탄소 균형을 확보한다.
• 모든 일반 대사산물을 그 특정 대응체로 대체하여 완전히 원소 균형을 이룬 모델을 개발함으로써 제약 기반 분석에 대한 모델 신뢰도를 향상시킨다.
• 총 탄소 흡수량을 성장 제한 요소로 삼는 최소 배지 정의를 통해 포도당만으로 제한하는 것에서 벗어나 지방산에서의 성장을 지원한다.
• 모델의 완전성과 계산 복잡성 사이의 균형을 유지하기 위해 확장 과정에서 가장 흔한 지방산들만 포함한다.

제안 방법

• 일반 대사산물(예: R-CoA)을 특정 지방산-CoA 형태(예: 마이리스토일-CoA, 팔미토일-CoA)로 대체하여 원소 불균형을 제거한다.
• 일반 R기의 탄소 수를 16으로 고정하고 스토이키오메트리 계수를 조정하여 반응의 탄소 균형을 확보한다.
• 교환 반응을 수입 및 외부 방출 성분으로 분할하고 총 탄소 흡수량을 추적하기 위해 '탄소 메타반응물'을 도입한다.
• 총 탄소 흡수량을 6개의 플럭스 단위로 제한하여 포도당 전용 제한 조건을 대체하는 성장 제한 조건을 시뮬레이션한다.
• 모든 일반 대사산물을 포함하는 반응을 확장하여, 가능한 모든 지방산 조합에 대해 개별 반응을 생성한다. 다만 카디올리프린 합성효소 반응과 생물량 반응은 제외한다.
• 카디올리프린 및 생물량에 남아 있는 일반 종류의 물질에 대해 '소속' 형식의 반응을 사용하여 모델의 기능성을 유지하면서 전체 확장을 피한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Recon 2의 지방산 대사에서 발생하는 원소 불균형은 특정 분자 형태로 일반 대사산물을 대체함으로써 신뢰할 수 있는 제약 기반 모델링을 가능하게 할 수 있는가?
• RQ2 일반 대사산물을 특정 형태로 대체하는 것이 모델 크기와 계산 가능성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 포도당과 지방산 양쪽에서의 성장을 지원하면서도 단일 성장 제한 영양소를 유지하기 위해 최소 배지를 어떻게 재정의할 수 있는가?
• RQ4 일반 대사산물을 특정 형태로 확장할 때 모델의 완전성과 계산 복잡성 사이의 균형은 어떻게 되는가?
• RQ5 일반 대사산물을 제거함으로써 인간 대사망원재구성의 예측 정확도는 어느 정도 향상되는가?

주요 결과

• Recon 2.1은 일반 R기들을 특정 지방산 형태로 대체하고 스토이키오메트리 계수를 조정함으로써 완전한 탄소 균형을 달성하여 비합리적인 탄소 생성을 완전히 제거한다.
• 모델 크기는 Recon 2의 7,440개에서 Recon 2.1의 8,089개로 증가하였고, Recon 2.1x에서는 71,159개로 확장되어 원소 균형화로 인해 약 10배 증가하였다.
• 모든 원소에서 균형이 확보되었으며, Recon 2.1x에서는 불균형 또는 알 수 없는 반응이 0개였고, Recon 2에서는 611개의 불균형 반응과 1,325개의 알 수 없는 반응이 있었다.
• 유일한 대사산물 수는 3배로 증가하였으며, 주로 지질의 더 세밀한 분해능 때문이지만 여전히 HMDB에서 정의된 40,000개에는 훨씬 못 미친다.
• 생물량 반응과 카디올리프린 합성효소 반응은 여전히 부분적으로 일반적이며, '소속' 반응을 사용하여 전체 확장을 피하면서도 모델 기능성을 유지한다.
• 최종 모델인 Recon 2.1x는 완전히 원소 균형을 이루었으며, BioModels에서 접근 식별자 ID MODEL1311110001로 공개되어 고급 체계생물학 응용을 지원한다.