Метаболическое моделирование становится трёхмерным
Международный консорциум исследователей при значительном участии учёных из Люксембургского центра системной биомедицины (LCSB) разработал первую компьютерную модель, включающую трёхмерное представление метаболических процессов человека.
Для этого исследователи интегрировали трёхмерные структуры более 4000 метаболитов и почти 13 000 белков в существующую компьютерную модель. Они также добавили огромный объём генетической и химической информации. Новый инструмент получил название Recon3D и недавно стал доступен для биомедицинского исследовательского сообщества. Результаты работы опубликованы в журнале Nature Biotechnology.
Компьютерная модель метаболических процессов человека
Уникальность новой модели заключается в интегрированных трёхмерных структурных данных белков и метаболитов. Как поясняет доктор Ронан Флеминг, руководитель группы системной биохимии LCSB: «Раньше мы могли сказать, что в данной метаболической реакции вещество A и B превращается в вещества C и D. Теперь мы точно знаем, из каких атомов состоит каждое вещество, как атомы расположены в исходных материалах и где эти же самые атомы можно найти в продуктах химической реакции».
Чтобы это стало возможным, учёным сначала пришлось выяснить, какой вычислительный алгоритм наиболее точно импортирует трёхмерные структуры молекул из литературы в Recon3D. Команда Флеминга исследовала молекулярную структуру исходных веществ для ряда химических реакций и отследила местоположение каждого атома после завершения метаболической реакции. Затем они протестировали различные алгоритмы, чтобы определить те, которые обладают наилучшей прогностической силой. С помощью этих результатов в модель были импортированы точные структуры более 4000 метаболитов. Коллеги из Калифорнийского университета (США) дополнили Recon3D данными о структурах почти 13 000 белков, объединив таким образом области структурной и системной биологии.
Расширенная модель доступна всем исследователям
«Recon3D теперь позволяет нам гораздо лучше и точнее изучать метаболические процессы, которые, например, иначе протекают у пациентов с болезнью Паркинсона, чем у здоровых людей», — подводит итог возможностям новой модели профессор Инес Тиле, руководитель группы молекулярной системной физиологии LCSB.
Доктор Андреас Дрегер из Центра биоинформатики Тюбингенского университета (ZBIT) привёл модель к стандартизированному формату для использования другими учёными. «Recon3D закладывает основу для создания моделей, специфичных для типа клеток, которые можно использовать для моделирования функции тканей и даже целых органов на компьютере, — объясняет Дрегер. — Это может помочь лучше понять взаимодействие между патогенами, такими как бактерии или вирусы, и организмом человека».
Флеминг добавляет, что благодаря трёхмерным структурам метаболитов и белков в Recon3D теперь можно с атомарным разрешением отследить, как генетическая мутация может влиять на развитие определённых заболеваний. «Это может открыть совершенно новые пути для исследований терапевтических подходов», — заключает он.
Recon3D доступен в базе данных Virtual Metabolic Human по адресу vmh.live.