Bakteerien genomitason metabolian mallintaminen

Abstract

Bakteerien metaboliset mallit ovat tärkeä työkalu bakteerien ominaisuuksien tutkimuksessa sekä niiden toiminnan ennustamisessa. Tämä puolestaan mahdollistaa bakteerien ominaisuuksien hyödyntämisen eri sovelluksissa. Tässä kirjallisuuskatsauksessa esitellään bakteerien metabolisia malleja ja niiden toimintaa. Työssä keskitytään erityisesti bakteerien rajoiteperäisiin genomitason metabolisiin malleihin. Työssä kuvataan näiden mallien ominaisuuksia ja niiden tyypillinen toimintaperiaate. Myös tyypillisten rajoiteperäisten mallien jatkeita esitellään. Tämän jälkeen kuvataan tyypillisen mallin muodostuksen vaiheet, mitä tietoa muodostukseen tarvitaan ja miten mallin toiminta varmistetaan. Mallien tuotannon automatisointiin sekä tyypillisten mallien jatkeiden muodostukseen liittyviä tekijöitä esitellään. Viimeiseksi vielä esitellään mallien sovelluskohteita ja tehdään työstä yhteenveto.

Rajoiteperäiset genomitason metaboliset mallit mallintavat solun tilaa vakaassa tilassa. Solussa tapahtuvien metabolisten reaktioiden perusteella voidaan muodostaa metabolinen matriisi, jonka avulla voidaan puolestaan laskea joukko mahdollisia reaktionopeuksia kaikille mallin metabolisille reaktioille. Objektifunktion ja mallille asetettujen rajoitteiden avulla näistä reaktionopeuksista valitaan ne, jotka parhaiten mallintavat solun tilaa ja toimintaa. Tämä tehdään FBA- eli Flux Balance Analysis- menetelmällä. Näiden reaktionopeuksien perusteella tehdään päätelmiä solun toiminnasta eri tilanteissa ja ympäristöissä. Tyypillisesti staattiseen FBA:han voidaan integroida dynaamisia ominaisuuksia, jolloin mallit kykenevät mallintamaan muuttuvia tiloja ja eri tekijöiden vaikutuksia aineenvaihduntaan.

Genomitason rajoiteperäiset mallit muodostetaan solun genomisen ja biokemiallisen tiedon perusteella. Mallin muodostus alkaa genomisen tiedon ja siihen liittyvän annotaation hankkimisesta. Genomitieto kertoo, mitä proteiineja ja siten mitä metabolisia toimintoja bakteerisolussa on. Tämän avulla saadaan tieto solussa tapahtuvista biokemiallisista reaktioista ja niihin osallistuvista aineista. Tätä alustavaa luonnosta metabolisesta mallista täydennetään ja hiotaan paremmaksi. Mallin täydennyksen jälkeen reaktioiden, niihin osallistuvien metaboliittien ja muun tiedon avulla muodostetaan laskennallinen malli, jonka keskiössä on metabolinen matriisi. Laskennallisen mallin tarkkuutta testataan ja korjataan, jonka jälkeen malli on valmis ja sitä voidaan soveltaa käytännössä. Metabolisen mallin muodostusta varten on kehitetty monia prosessia automatisoivia työkaluja, kuten Model SEED, jotka nopeuttavat metabolisten mallien muodostusta. Valmiita metabolisia malleja voidaan soveltaa useisiin eri kohteisiin, kuten kemikaalien tuotannon tehostamiseen, lääkekehitykseen, tieteelliseen tutkimukseen, bakteeriyhteisöjen mallintamiseen ja tutkimukseen sekä muihin sovelluksiin.