Новый инструмент для контроля качества метаболических моделей геномного масштаба
Области применения метаболических моделей геномного масштаба широки: от проектирования клеточных фабрик и исследования метаболизма рака до анализа взаимодействия микробов в кишечнике. Число публикаций как ручных, так и автоматически сгенерированных моделей растет ежегодно. Однако многие данные сложно воспроизвести и повторно использовать в других контекстах.
Ученые из Центра биологической устойчивости Novo Nordisk (DTU Biosustain) и большая группа исследователей со всего мира в области биотехнологий представили решение этой проблемы.
В новом исследовании, опубликованном в Nature Biotechnology, они представляют инструмент MEMOTE — поддерживаемый сообществом стандартизированный набор тестов для метаболических моделей. Тесты охватывают широкий спектр аспектов: от аннотаций до концептуальной целостности. Инструмент также можно расширить для включения экспериментальных данных для автоматической валидации моделей.
Ожидается, что MEMOTE позволит ученым и биотехнологическим компаниям эффективнее разрабатывать более качественные модели. С точки зрения устойчивого развития это ускорит проектирование лучших клеточных фабрик, поскольку текущий процесс инженерии микробов для производства биохимикатов очень трудоемок и дорог.
Потребность в контроле качества
«Если вы работаете с модельными организмами, такими как дрожжи или кишечная микроба Escherichia coli, вам повезло — их модели достаточно предсказательны и годами дорабатывались. Но сообществу известно, что многие опубликованные модели содержат существенные недостатки», — говорит Кристиан Ливен, бывший постдок в DTU Biosustain.
Соавтор Мориц Бебер добавляет: «Мы провели количественную оценку тысяч опубликованных моделей. Хотя большинство из них в разумном состоянии, MEMOTE смог выявить конкретные проблемы во всех моделях. Это исследование подчеркивает полезность MEMOTE для оценки и улучшения метаболических моделей».
Содействие открытости и сотрудничеству
MEMOTE также решает проблему непрерывного улучшения и версионирования моделей до и после публикации, применяя лучшие практики из области разработки программного обеспечения. Инструмент интегрируется с современными IT-технологиями, такими как платформа для совместной разработки GitHub, позволяя исследователям коллективно улучшать модели, не снижая их качество.
«Ведение истории разработки модели абсолютно необходимо как для атрибуции заслуг, так и для обеспечения подотчетности. Кроме того, в процессе реконструкции метаболических моделей геномного масштаба из публикаций извлекается и документируется много биологических знаний. Кто знает, возможно, MEMOTE даже предоставит средства для публикации детальных обзоров метаболизма организмов в будущем», — говорит соавтор Бернхард Палссон.
Улучшение инженерии клеточных фабрик
MEMOTE позволяет быстро сравнить любые две модели, чтобы оценить, какая лучше подходит для выбранного организма-хозяина. Модель тестируется по широкому спектру факторов, таких как производство предшественников биомассы, согласованность биомассы и скорость роста. В конечном итоге это должно привести к более рациональному подходу к проектированию клеточных фабрик.
«Сегодня у нас так много данных и знаний о биологических путях внутри этих промышленных микроорганизмов. Это позволяет использовать математические модели для симуляции эффектов генетических модификаций и, следовательно, способствовать более рациональному подходу к проектированию клеточных фабрик. Я надеюсь, MEMOTE облегчит разработку предсказательных моделей для большего числа организмов и разнообразит спектр доступных организмов-продуцентов», — говорит автор-корреспондент, доцент DTU Bioengineering Николаус Зонненшайн.