Development of an integrated platform for the in silico phenotype simulation of microbial strains

Abstract

Recentes técnicas de sequenciação genómica e abordagens estão a aumentar constantemente, a uma taxa exponencial, os dados biológicos disponíveis. Esta informação está se tornar ainda mais acessível com o desenvolvimento de novas tecnologias de high-throughout, fazendo com que a simulação in silico de sistemas vivos ou sintéticos se torne mais atrativa. A crescente investigação dos últimos dez anos permitiu o desenvolvimento de modelos matemáticos sofisticados que, por meio de engenharia metabólica, são utilizados numa tentativa de otimizar as funções do organismo, modificando-os geneticamente para produzir compostos de interesse industrial. Em relação ao uso dos modelos de simulação de fenótipo, métodos como o Flux Balance Analysis são utilizados para identificar conjuntos de manipulações genéticas que resultam em estirpes mutantes capazes de produzir compostos desejados. Variações desses métodos têm rapidamente surgido e, em paralelo, um grande número de ferramentas computacionais surgiram com a capacidade de realizar esses métodos. Todas estas ferramentas estão disponíveis para a comunidade e construídas em diferentes sistemas e linguagens. No entanto, nenhuma inclui todos os métodos relevantes, o que resulta numa necessidade de recurso a mais do que uma ferramenta para realizar certas tarefas. Neste trabalho, uma plataforma que pode integrar todos estes métodos é apresentada com o objetivo de centralizar e integrar os métodos de simulação de fenótipo mais relevantes e também permitir a sua extensão fácil com outros métodos. Para este trabalho, foi realizado um estudo dos métodos e ferramentas mais relevantes de modo a que esta plataforma possa integrar os métodos e ferramentas mais significativas. Esta plataforma é dividida em duas camadas: uma camada de ligação que é responsável pela troca de informação através das ferramentas computacionais e línguas, e uma camada de formulação responsável por executar os métodos dessas ferramentas e também apresentar os seus resultados. Através destas camadas, a plataforma pode executar métodos de qualquer ferramenta disponível construída em qualquer linguagem computacional e fornecer aos investigadores o acesso a todos os métodos em uma única plataforma. Como aplicação prática desta plataforma, foi desenvolvido um plugin e integrado no OptFlux, um software de código aberto para apoiar as tarefas de engenharia metabólica, e encontra-se disponível em www.optflux.org. Este plugin oferece uma ligação com a ferramenta COBRA e executa os métodos de simulação metabólicas mais relevantes presentes no último.

Modern sequencing techniques and omics approaches are constantly increasing available biological data at an exponential rate. This information is becoming even more accessible with the development of new high-throughout technologies, making in silico simulation of living and synthetic systems more attractive. The growing research in the past decade allowed the development of sophisticated mathematical models that, through Metabolic Engineering, are used in an attempt to optimize organism's functions, genetically modifying them to produce compounds of industrial interest. Regarding the use of models for phenotype simulation, methods such as Flux Balance Analysis are used to identify sets of genetic manipulations that result in mutant strains capable of producing desired compounds. Variations of these methods have rapidly appeared and in parallel, a great number of computational tools emerged with the capability of performing these methods. All these tools are available for the community and built in different systems and languages. However, none includes all the relevant methods, which results in a need of recurring to more than one tool to accomplish certain tasks. In this work, a platform that can integrate all these methods is presented with the goal of centralizing and integrating the most relevant existing phenotype simulation methods and also enabling their easy extension with other methods. For this work, a study of the most relevant methods and tools was made so that this platform could integrate the most significant methods and tools. This platform is divided in two layers: a connection layer that is responsible for exchanging information through the computational tools and languages, and a formulation layer responsible for performing the methods from these tools and also presenting the results. Through these layers, the platform can perform methods from any available tool built in any computational language and provide to the researchers the access to all methods in a single platform. As a practical implementation of this platform, a plugin was developed and integrated in OptFlux, an open-source software to support metabolic engineering tasks, available at www.optflux.org. This plugin provides a connection with the COBRA Toolbox and performs the most relevant metabolic simulation methods present in the latter.