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Abstract:
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Este trabalho reúne ferramentas computacionais de biologia de sistemas num aplicativo chamado GEnSys (Genomic Engineering System), desenvolvido usando o MATLAB®, e que é formado por um conjunto de módulos interdependentes que permite a análise e simulação de redes de reações bioquímicas. Os módulos implementados realizam as seguintes tarefas: simulação dinâmica determinística, análise de controle metabólico, análise de fluxo metabólico, análise de balanço de fluxo e determinação de modos elementares. Uma característica importante do GEnSys é que não há a necessidade da entrada direta da matriz estequiométrica que representa o modelo biológico, pois existe um módulo que lê um arquivo contendo as reações da rede metabólica, escritas em uma sintaxe específica. Este procedimento gera automaticamente a matriz estequiométrica da rede. Para tanto, foi criada uma linguagem formal batizada de Linguagem de Reações Bioquímicas (LRB), flexível e intuitiva. Por exemplo, os nomes dos reagentes e produtos de uma reação podem conter caracteres especiais, tais como +, -, espaço e apóstrofo. Esses símbolos são comuns nos nomes dos compostos bioquímicos. Da forma como foi projetado, o GEnSys pode ser facilmente extendido para outros tipos de métodos de análise envolvendo a matriz estequiométrica. A partir de dados da literatura foram modeladas e simuladas diversas redes metabólicas. Para a Clostridium acetobutylicum foram consideradas todas as reações usadas para a produção de ácidos, solventes e hidrogênio molecular a partir de dois substratos distintos: glicose e glicerol. A rede modelada captura importantes aspectos qualitativos, de acordo com padrão de distribuição de fluxos (velocidades de reação) desta bactéria. Em um dos casos analisados foi possível obter valores quantitativos próximos aos valores reportados na literatura. Foram determinados 29 modos elementares de fluxo para a produção de hidrogênio molecular pela C. acetobutylicum. Destes, há 13 modos distintos envolvidos na produção de H2: seis a partir da glicose, seis a partir do glicerol e um relativo ao NADH, o qual foi considerado externo. Um estudo de caso em que a regulação da expressão gênica é importante foi conduzido comparando-se as simulações estocástica e determinística da via de biossíntese do triptofano da Escherichia coli. Todos os mecanismos de regulação conhecidos do operon trp (transcrição, tradução e inibição enzimática) foram considerados nas simulações estocástica e determinística. Em ambas, o comportamento da atividade da enzima antranilato sintase foi avaliado e comparado aos valores experimentais para uma E. coli selvagem. This work considers a set of computational systems biology tools, written as a MATLAB® toolbox called GEnSys (Genomic Engineering System). GEnSys comprises several interdependent modules that allow analysis and simulation of biochemical reaction networks. The developed implemented modules perform the following tasks: deterministic dynamic simulation, metabolic control analysis, metabolic flux analysis, flux balance analysis and determination of elementary modes. An important GEnSys feature is that the stoichiometric matrix representing the biological model does not have to be supplied directly. A module that reads an external file describing the metabolic network, in a specified, proposed syntax (the Biochemical Reaction Language - LRB), automatically produces the stoichiometric matrix. LRB is a flexible but intuitive language, that also allows the use of common biochemical symbols such as +, -, blank space and primes. Due to its design strategy, GEnSys may be easily extended for other analytical methods involving the stoichiometric matrix. Several metabolic networks were modeled from literature data and simulated using the developed tools. For Clostridium acetobutylicum all important reactions involved in the production of acids, solvents and molecular hydrogen, using two substrates, glucose and glycerol, were considered. The modeled network captures essential qualitative behavior, according to expected flux distribution from that bacterium. In one of the analysed cases, good quantitative agreement with literature data was found. Twenty-nine flux elementary modes for the molecular hydrogen production were found, thirteen of them involved in the H2 biosynthesis: six from glucose, six from glycerol, and one regarding NADH production. NADH was considered an external metabolite. A comparison between stochastic and deterministic simulation was carried out using a model where genetic regulation is important, the tryptophan biosynthesis by Escherichia coli. All known regulatory mechanisms for the trp operon (transcription, translation and enzymatic inhibition) were taken into account. In both cases, the catalytic behavior of the anthranilate synthase enzyme was evaluated and compared to experimental values reported to wild type E. coli. |
