Development of a computational platform for the visualization of metabolic models

Abstract

The recent sequencing techniques and omics approaches are generating huge amounts of data that can provide ways to extract meaningful knowledge, by resorting to appropriate computational tools. One important technique resorts to the use of genome scale model reconstructions. These models are widely used in Metabolic Engineering, attempting to optimize an organism's functions, genetically modifying it to produce compounds of industrial interest.

Another area that became widely important within the fields of Systems Biology and Bioinformatics was network analysis and visualization. Networks can provide a way to better understand the relationships between biological entities, by allowing their visual representation. However, biological networks usually comprise a large number of entities and interactions, that cannot be easily interpreted by the human eye.

Integrating visualization and analysis is, therefore, a goal of high interest in several scientific areas, and this has been tackled by several visualization tools available. However, regarding the integration of metabolic engineering techniques with metabolic network visualization, there are still few examples of success. Usually, it is necessary to use more than one tool and the agility of the methods is limited.

In this work, a metabolic network visualization framework is presented, with the goal of being a tool that will help researchers in metabolic engineering projects. This framework is divided in two layers: the first deals with the importation and exportation of networks in different formats, while the other layer provides all the visualization and edition features.

A metabolic layout is based on the reactions contained in the metabolic model, and it can represent just a part of the metabolism of an organism. To have the possibility to use the same layout in different models, a strategy was defined to map the entities of the visualization with the entities of the model.

The layouts are displayed in a bipartite graph, with different node types and colors. It is possible to visualize additional information of the network by clicking the nodes. Some of the features include dragging, zooming and highlighting. On top of all this, it is also possible to apply filters and overlap information over these networks. The filters can change what is visible in the network, while the overlaps allow defining new labels, colors and shapes to the nodes, and new colors and thickness to the edges. Finally, the framework was also integrated within OptFlux, an open-source software to support metabolic engineering available at www.optflux.org, to provide a connection between visualization and metabolic simulation methods.

As recentes técnicas de sequenciação e as abordagens "ómicas" estão a gerar enormes quantidades de dados que, através do uso de ferramentas computacionais adequadas, podem fornecer formas de extraccão de conhecimento biológico significativo. Uma importante metodologia recorre à reconstrução de modelos metabólicos à escala genómica. Estes modelos são muito usados na Engenharia Metabólica, tentado-se optimizar o funcionamento do organismo, modificando-o geneticamente, de forma a maximizar a produção de compostos de interesse industrial. Outra área de estudo que tem ganho bastante importância nos campos da Biologia de sistemas e Bioinformática é a análise e visualização de redes. As redes podem oferecer formas de melhor compreender as relações existentes entre entidades biológicas, fornecendo uma representação visual destes relacionamentos. No entanto, as redes biológicas, usualmente, são compostas por um elevado número de entidades e relacionamentos, o que pode tornar difícil a sua interpretação a "olho nu". A integração de visualização e análise sempre foi um objectivo de interesse em todas as áreas científicas, e respostas a este problema têm surgido sob a forma de diferentes ferramentas. No entanto, no que se refere à integração de técnicas de engenharia metabólica com visualização de redes metabólicas, existem ainda poucos exemplos com sucesso. Usualmente, é necessário o uso de diversas ferramentas e as funcionalidades e flexibilidade é ainda limitada. Neste trabalho é apresentada uma plataforma para a visualização de redes metabólicas, com o objectivo de ser uma ferramenta que assista investigadores em projectos de engenharia metabólica. Esta plataforma está dividida em duas camadas: a primeira lida com a importação e exportação de redes em diferentes formatos, enquanto a outra camada oferece todas as funcionalidades de visualização e edição. Um layout metabólico é baseado nas reaccões contidas num modelo metabólico, e pode representar apenas uma parte do metabolismo do organismo. De forma a ser possível utilizar o mesmo layout em modelos diferentes, foi definida uma estratégia para mapear as entidades da visualização com as entidades do modelo. Os layouts são representados sob a forma de um grafo bi-partido, com diferentes tipos de nodos e cores. É possível visualizar informação adicional sobre a rede clicando nos nodos. Algumas das funcionalidades incluem arrastar, focar e realçar partes da rede. Para além de tudo isto, é possível aplicar filtros e sobrepor informação sobre a rede. Os filtros permitem definir o que é visível na rede, enquanto a sobreposição permite definir novas etiquetas, formas e cores dos nodos e cores e espessura das conecções. Finalmente, a plataforma foi integrada no OptFlux, uma ferramenta de código aberto para engenharia metabólica que está disponível em www.optflux.org, de forma a estabelecer uma conexão entre a visualização de redes metabólicas e métodos de simulação do metabolismo.