[论文解读] Removing both Internal and Unrealistic Energy-Generating Cycles in Flux Balance Analysis

Εlad Noor|arXiv (Cornell University)|Mar 13, 2018

Microbial Metabolic Engineering and BioproductionBiochemistry, Genetics and Molecular Biology参考文献 30被引用 17

一句话总结

本文提出了一种新型基于约束的建模方法——半热力学FBA（st-FBA），通过仅对能量载体代谢物（如ATP、焦磷酸盐和质子梯度）施加选择性热力学约束，有效消除了热力学上不可行的能量生成循环（EGCs），而无需依赖大量热力学参数。该方法在不引入内部或无意义循环的同时，保留了生物上合理的通量分布，为FBA提供了一种计算高效且生物上合理的替代方案，优于传统的无环FBA（loopless FBA）和完整热力学FBA（TFBA）。

ABSTRACT

Constraint-based stoichiometric models are ubiquitous in metabolic research, with Flux Balance Analysis (FBA) being the most widely used method to describe metabolic phenotypes of cells growing in steady-state. Of the many variants of constrain-based modelling methods published throughout the years, only few have focused on thermodynamic issues, in particular the elimination of non-physical and non-physiological cyclic fluxes. In this work, we revisit two of these methods, namely thermodynamic FBA and loopless FBA, and analyze the strengths and weaknesses of each one. Finally, we suggest a compromise denoted semi-thermodynamic FBA (st-FBA) which imposes stronger thermodynamic constrains on the flux polytope compared to loopless FBA, without requiring a large set of thermodynamic parameters as in the case of thermodynamic FBA. We show that st-FBA is a useful and simple way to eliminate thermodynamically infeasible cycles that generate ATP.

研究动机与目标

• 为解决通量平衡分析（FBA）中持续存在的热力学不可行通量循环问题，特别是那些在无底物输入情况下生成ATP的循环。
• 克服现有方法的局限性：热力学FBA（TFBA）需要大量热力学参数，而无环FBA（ll-FBA）无法消除所有能量生成循环。
• 开发一种折衷方法，其热力学约束强于ll-FBA，但避免了TFBA所需的高数据密集型参数化。
• 确保仅保留生物上合理的通量分布，特别是在基因组规模的代谢模型中。

提出的方法

• st-FBA通过在能量载体代谢物（如ATP、焦磷酸盐和质子）的标准化转化生成吉布斯自由能（$\Delta_{f}G'^{\prime}$）上引入边界，扩展了标准FBA。
• 采用混合整数线性规划（MILP）公式，利用二元变量基于热力学可行性来强制反应方向性，与无环FBA类似。
• 该方法将关键能量载体的$\Delta_{f}G'^{\prime}$值固定在生理浓度范围内（例如ATP为1 mM），而其他代谢物保持无约束。
• 施加约束条件，使得正向反应满足$\Delta_{r}G'^{\prime} \leq -\varepsilon$，反向反应满足$\geq \varepsilon$，以确保热力学上可行的通量方向。
• 该方法利用内部化学计量矩阵的核正交补集（$\ker(\mathbf{S}_{\text{int}})^\perp$）从代谢物生成吉布斯自由能计算反应吉布斯自由能。
• 采用网络内嵌的半热力学分析（NEST）来评估整个网络中通量分布的热力学可行性。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否开发一种方法，比无环FBA更有效地消除能量生成循环（EGCs），同时避免对完整热力学参数化的需求？
• RQ2 对能量载体代谢物施加选择性热力学约束，在多大程度上提升了FBA解的生物现实性？
• RQ3 st-FBA在消除内部和无意义循环的同时，与热力学FBA和无环FBA相比，如何在保留生理相关通量分布方面表现更优？
• RQ4 仅约束一小部分代谢物（如ATP、H+）对基因组规模模型整体解空间的影响如何？

主要发现

• st-FBA成功消除了所有热力学上不可行的能量生成循环（EGCs），包括在无底物输入情况下产生ATP的内部循环。
• 该方法通过仅约束关键能量载体代谢物（如ATP、焦磷酸盐、H+）的生成吉布斯自由能实现，避免了对大量热力学数据的依赖。
• 与无环FBA相比，st-FBA提供了更强的热力学约束，能够消除ll-FBA无法消除的循环。
• 与热力学FBA相比，st-FBA所需参数少得多——仅需对少量代谢物施加边界约束——使其在大规模模型中更具实用性。
• 在COBRApy中的实现表明，st-FBA计算效率高，且可轻松集成到现有FBA工作流中。
• NEST分析证实，st-FBA的解在所有反应中均满足热力学可行性，无任何反应违反$\Delta_{r}G'^{\prime} \leq -\varepsilon$或$\geq \varepsilon$的约束条件。