[论文解读] Creation and analysis of biochemical constraint-based models: the COBRA Toolbox v3.0

Laurent Heirendt, Sylvain Arreckx+53 more|arXiv (Cornell University)|Oct 11, 2017

Microbial Metabolic Engineering and Bioproduction参考文献 27被引用 94

一句话总结

本文介绍 COBRA Toolbox 3.0，这是一个开源的基于 MATLAB 的平台，扩展了基于约束的重建与分析方法，能够与多种语言和求解器接口，实现对基因组尺度代谢建模和数据整合的全面支持。

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.

研究动机与目标

• 在一个统一的工具箱内推进约束基重建与分析（COBRA）方法。
• 增强质量控制、重建、拓扑分析、设计、可视化和数据整合能力。
• 支持多组学数据整合、高精度求解器，以及多尺度、多细胞建模。
• 提供多语言代码集成与与多种编程环境的互操作性。
• 促进可重复性、文档化和社区参与，以适用于广泛的生物学和生物技术应用。

提出的方法

• 扩展 COBRA 框架，包含经过质量控制的重建和扩展的建模能力。
• 集成多种优化求解器，并支持热力学、动力学和多尺度建模。
• 为重建提供输入/输出标准，包括 SBML 流量平衡约束。
• 提供多语言集成，语言包括 C、FORTRAN、Julia、Perl、Python，以及用于性能的预编译二进制文件。
• 包括教程、文档和在线论坛，以支持用户参与和可重复性。
• 实现可视化和网络分析、基因组尺度的动力学建模，以及情境特异性数据整合。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何在单一工具包中扩展和标准化基于约束的重建与分析？
• RQ2 COBRA Toolbox 3.0 为重建质量、拓扑分析和数据整合提供了哪些新的方法和接口？
• RQ3 如何将多组学数据和热力学约束纳入该工具箱中的基因组尺度模型？
• RQ4 多语言和多求解器支持对大规模建模的性能与可用性有何影响？
• RQ5 如何提升基于约束的建模的可重复性与社区参与度？

主要发现

• COBRA Toolbox 3.0 提供了用于质量控制重建、建模、拓扑分析、菌株设计、网络可视化和数据整合的扩展方法。
• 它为多种求解器、新的优化方法以及用于多尺度和反应动力学建模的高精度计算提供支持。
• 该工具箱支持代谢组、转录组、蛋白质组和热化学数据的整合，以及原子级分辨率的重建。
• 有广泛的文档、教程，以及专门的 openCOBRA 项目和社区论坛以促进协作。
• COBRA Toolbox 3.0 是多语言且可互操作的，能够在 MATLAB 中使用，并与 C、FORTRAN、Julia、Python 等接口互通。
• 该协议强调可复现性，提供叙述性指南和教程以帮助用户复现分析。