Một số phương pháp phân tích trong mạng trao đổi chất

- Một số phương pháp phân tích trong mạng trao đổi chất.
- Abstract: Giới thiệu quá trình chuyển hóa chất của sinh vật và mạng trao đổi chất - một mô hình toán học để nghiên cứu quá trình trao đổi chất.
- Giới thiệu về quy hoạch tuyến tính và quy hoạch bậc hai, cơ sở toán học chính cho các phương pháp phân tích cân bằng (FBA), tối thiểu hóa quá trình trao đổi chất (MOMA).
- Trình bày cụ thể về mạng trao đổi chất của vi khuẩn E.coli, phương pháp xây dựng mạng từ các dữ liệu thực nghiệm.
- Nêu ra các phương pháp phân tích mạng trao đổi chất chủ yếu là phân tích với dạng wild-type (dạng tự nhiên) và phân tích với dạng đột biến (bị xóa bỏ gen).
- Đưa ra bài toán cụ thể và phương pháp FBA/MOMA cải tiến.
- Xây dựng hệ thống phần mềm FLUXOR để nghiên cứu các hệ thống sinh học sử dụng phương pháp FBA/MOMA..
- Hệ thống sinh học.
- Mạng sinh học.
- Mạng trao đổi chất.
- Nghiên cứu mạng trao đổi chất đã thu hút nhiều sự quan tâm trong những năm gần đây [4- 10].
- Phần lớn nghiên cứu tập trung vào việc xây dựng các mô hình toán học của quá trình trao đổi chất trong tế bào..
- Ở đây chúng tôi tập trung vào các phương pháp phân tích dòng (flux) sử dụng mô hình dựa trên các ràng buộc và trạng thái ổn định.
- Mô hình này sử dụng các ràng buộc ở nhiều dạng như ma trận hệ số cân bằng phương trình hoá học, hệ số cân bằng nhiệt động lực học, công suất dòng, bảo toàn năng lượng và một số ràng buộc khác để hạn chế không gian phân phối dòng có thể của mạng trao đổi chất..
- Dựa trên giả thuyết trong sinh học về các sinh vật không nhân như Escherichia coli thường phát triển tối đa trong quá trình tiến hoá, phương pháp Phân tích cân bằng dòng (Flux Balance Analysis - FBA) dự đoán các phân phối dòng trao đổi chất ở trạng thái ổn định bằng phương pháp quy hoạch tuyến tính.
- Các điều kiện này đều có cùng mục tiêu là để đạt được ý nghĩa sinh học khi xác định trạng thái trao đổi chất của cơ thể.
- FBA là một phương pháp dựa trên ràng buộc cụ thể đã thành công trong việc dự đoán tốc độ phát triển, tốc độ hấp thu và bài tiết của tế bào ở dạng nguyên thuỷ.
- Tuy nhiên với các dạng đột biến thì phương pháp FBA tỏ ra không hiệu quả và chính xác.
- Vì vậy một phương pháp khác được dùng trong trường hợp này là Tối thiểu hoá điều chỉnh trao đổi chất (Minimization Of Metabolic Adjustment – MOMA.
- phương pháp này sử dụng quy hoạch bậc hai.
- Phương pháp MOMA cho thấy ưu điểm về tính chính xác so với phương pháp FBA trong dự đoán các trường hợp đột biến..
- Giả thuyết của chúng tôi có ý nghĩa quan trọng trong sinh học vì từ đó giúp chúng ta thay đổi cách nghĩ truyền thống trong sinh học khi bỏ qua các đặc tính bất đối xứng nảy sinh từ thứ tự của các đột biến.
- Để kiểm chứng giả thuyết chúng tôi sử dụng mô hình mạng trao đổi chất mới nhất JR904 của vi khuẩn Escherichia coli và các phương pháp FBA, MOMA để tìm kiếm các chuỗi gen có tính không giao hoán như đã mô tả.
- Chúng tôi đã tìm ra một số chuỗi gen có tính chất trên chứng tỏ giả thuyết đưa ra là có ý nghĩa và cơ sở khoa học..
- Ngoài ra trong quá trình sử dụng FBA, chúng tôi phát hiện một nhược điểm của phương pháp FBA hiện tại là các dòng trao đổi chất có những giá trị quá lớn (cỡ 10.000.
- không mang tính sinh học và có thể dẫn đến các kết quả không chính xác khi dùng cho MOMA.
- Vì vậy luận văn đề xuất một cải tiến cho FBA để tăng cường tính chính xác cũng như ý nghĩa sinh học của các kết quả dự đoán.
- Ưu điểm của phương pháp đề xuất được kiểm chứng bằng kết quả thực nghiệm trên mô hình mạng trao đổi chất mới nhất JR904 của E.
- Cuối cùng chúng tôi phát triển một hệ thống phần mềm mã nguồn mở để phục vụ cho quá trình nghiên cứu này.
- Hệ thống phân mềm này giúp giải phóng các nhà sinh học khỏi những tính toán phức tạp để tập trung vào vấn đề thực sự cần quan tâm, nghiên cứu..
- Ngoài phần kết luận, luận văn được trình bày như sau : Chương 1 : Quá trình trao đổi chất và mạng trao đổi chất.
- Giới thiệu quá trình chuyển hoá chất của sinh vật và mạng trao đổi chất - một mô hình toán học để nghiên cứu quá trình trao đổi chất..
- Chương 2 : Cơ sở toán học.
- Giới thiệu về quy hoạch tuyến tính và quy hoạch bậc hai, cơ sở toán học chính cho các phương pháp FBA, MOMA..
- Chương 3 : Mạng trao đổi chất của E.
- Trong chương này, chúng tôi giới thiê ̣u về mạng trao đổi chất của vi khuẩn E.
- Chương 4 : Các phương pháp phân tích mạng trao đổi chất.
- Chương này giới thiệu mô hình toán học của các phương pháp FBA, MOMA, ROOM..
- Chương 5 : Bài toán cụ thể và phương pháp tiếp cận.
- Trong chương này, chúng tôi trình bày cụ thể bài toán, các vấn đề phát sinh trong quá trình thực hiện cũng như đề xuất các cải tiến để giải quyết các vấn đề đó..
- Đặng Cao Cường, Nguyễn Trung Thông, Hoàng Xuân Huấn (2008), “Một số phương pháp phân tích mạng trao đổi chất sinh học”, Hội thảo quốc gia CNTT, Huế 2008..
- Trần Minh Tâm, “Trao đổi chất và sự chuyển hóa năng lượng”, Báo Thực phẩm.
- O (1993), “Stoichiometric interpretation of Escherichia coli glucose”, Appl Environ Microbiol, Vol.
- An expanded genome-scale model of Escherichia coli K-12 (iJR904 GSM/GPR.
- (2002), “Metabolic flux responses to pyruvate kinase knockout in Escherichia coli”, J.
- (1996), Escherichia coli and Salmonella: cellular and molecular biology, ASM Press, Washington, D.C..
- “EcoCyc: Encyclopedia of Escherichia coli genes and metabolism”, Nucleic Acids Research, Vol.
- (1997), “The complete genome sequence of Escherichia coli K-12”, Science, Vol.
- (1997), “Stoichiometric model of Escherichia coli metabolism: Incorporation of growth-rate dependent biomass composition and mechanistic energy requirements”, Biotechnology and Bioengineering, Vol.
- (1994), “Stoichiometric flux balance models quantitatively predict growth and metabolic by-product secretion in wild-type Escherichia coli W3110”, Applied and Environmental Microbiology, Vol.
- O, (1993), “Metabolic capabilities of Escherichia coli: I..
- (2001), “In silico predictions of Escherichia coli metabolic capabilities are consistent with experimental data”, Nature Biotechnology, Vol