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

Ilija Dukovski, Djordje Bajić+11 more|arXiv (Cornell University)|Sep 3, 2020

Microbial Metabolic Engineering and Bioproduction参考文献 101被引用 15

一句话总结

COMETS 2 是一款开源、用户友好的平台，通过整合空间扩散、生物量扩展、进化动力学和胞外酶活性，利用基因组规模代谢建模，在时间和空间上模拟微生物生态系统。它通过 Python 和 MATLAB 接口与 COBRA 工具集成，使研究人员能够以高生物保真度和可扩展性，在多种生物群落中模拟复杂的微生物群落行为。

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.

研究动机与目标

• 开发一个可扩展的开源平台，用于模拟考虑空间组织和动态代谢相互作用的微生物生态系统。
• 通过在结构化环境中整合现实的生物量扩展和分子扩散，扩展动态通量平衡分析。
• 将进化动力学和胞外酶活性整合到统一的代谢建模框架中。
• 为所有专业水平的研究人员提供易于使用且文档齐全的 Python 和 MATLAB 接口。
• 实现在不同生态和生物技术背景下广泛应用于微生物群落的建模。

提出的方法

• 在基于 2D 或 3D 网格的环境中，将动态通量平衡分析（dFBA）扩展为对代谢物和细胞的空间分辨扩散。
• 使用对细胞生长和机械约束具有生物物理准确性的方法，对微生物生物量扩展进行建模。
• 整合胞外酶的分泌与活性，实现对空间中底物降解和养分释放的模拟。
• 通过种群层面的突变与选择引入进化动力学，使群落能够适应环境条件。
• 使用与 COBRA 兼容的代谢模型作为输入，确保与现有基因组规模模型的兼容性。
• 提供模块化、可扩展的架构，配备 Python 和 MATLAB API，用于模拟的设置、执行与分析。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何将基因组规模代谢模型扩展，以在空间结构化环境中模拟微生物群落？
• RQ2 空间组织在塑造微生物生态系统中代谢相互作用和群落稳定性方面发挥什么作用？
• RQ3 胞外酶活性在多大程度上影响养分可利用性及群落组成随时间的变化？
• RQ4 进化动力学在多大程度上可被整合到动态代谢模拟中，以预测微生物群落的适应性？
• RQ5 统一的开源平台是否能够实现在不同生物群落中可重复且可扩展的微生物生态系统建模？

主要发现

• COMETS 2 能够在空间结构化环境中，以真实的生物量扩展和扩散方式，成功模拟微生物群落动力学。
• 引入胞外酶活性可实现对异质环境中底物利用和养分循环的精确建模。
• COMETS 2 中的进化动力学可使适应性特征（如酶分泌）在选择压力下自然出现。
• 该平台展示了与 COBRA 模型的兼容性，并支持在多种微生物群落配置中实现可重复模拟。
• 用户友好的接口和全面的文档显著降低了非高级编程背景研究人员的使用门槛。
• 该平台能够以生物学相关规模模拟复杂、多物种的生态系统，支持合成生态学和环境微生物学的应用。