Computational tools for pathway optimization towards metabolic engineering applications

Dissertação de mestrado em Engenharia InformáticaMetabolic Engineering targets the microorganism's cellular metabolism to design new strains with an industrial purpose. Applications of these metabolic manipulations in Biotechnological derive from the need of enhanced production of valuable compounds. The development of in silico metabolic models proposes a quantifiable approach for the manipulation these microorganisms. In this context, constraint based modelling is one of the major approaches to predict cellular behaviour. It allows to prune the feasible space of possibilities describing possible phenotype outcomes in terms of metabolic fluxes. Under these conditions, cellular metabolism can be represented as an algebraic system constrained by the laws of mass balance and thermodynamics. These systems are prone to be represented as networks, taking advantage of different graph-based paradigms, including bipartite graphs, hypergraphs and process graphs. This thesis explores these representations and underlying algorithms for metabolic network topological analysis. The main aim will be to identify potential pathways towards the optimized biochemical production of selected compounds. Related to this task, algorithms will also be designed aiming to complement networks of specific organisms, taking as input larger metabolic databases, inserting new reactions making them able to produce a new compound of interest. To address these problems, and also related tasks of data pre-processing and evaluation of the solutions, a complete computational framework was developed. It integrates a number of previously proposed algorithms from distinct authors, together with a number of improvements that were necessary to cope with large-scale metabolic networks. These are the result of problems identi ed in the previous algorithms regarding their scalability. A case study in synthetic metabolic engineering was selected from the literature to validate the algorithms and test the capabilities of the implemented framework. It allowed to compare the performance of the implemented algorithms and validate the proposed improvements.A Engenharia Metabólica visa a alteração do metabolismo celular dos microorganismos com vista ao desenho de novas estirpes com fins industriais. As aplicações destas modificações genéticas na Biotecnologia derivam da necessidade de produzir de forma otimizada compostos de alto valor. O desenvolvimento de modelos computacionais propõe uma abordagem quantitativa para a manipulação destes organismos. Neste contexto, a modelação baseada em restrições constitui uma das abordagens mais usadas para a previsão do comportamento celular. Esta permite reduzir o espaço de soluções viáveis descrevendo o fenótipo celular a partir dos fluxos metabólicos. Nestas condições, o metabolismo celular pode ser representado como um sistema algébrico restringido pelas leis da conservação de massa e termodinâmica. Estes sistemas podem ser representados como redes, tirando partido de diferentes paradigmas baseados em grafos, incluindo os grafos bipartidos, os hipergrafos e os grafos de processos. Esta tese explora estas representações e os respetivos algoritmos para a análise topológica de redes metabólicas. O objetivo principal será o de identificar potenciais vias metabólicas para a optimização da produção de compostos selecionados. Relacionado com esta tarefa, serão desenhados algoritmos com o objetivo de complementar redes de organismos específicos, tomando como entradas bases de dados metabólicas de maior dimensão, inserindo novas reações de forma a torná-los capazes da produção de novos compostos de interesse. Para abordar estes problemas, bem como tarefas relacionadas ao nível do pré-processamento e avaliação das soluções, foi desenvolvida uma plataforma computacional completa. Esta integra um conjunto de algoritmos previamente propostos por diversos autores, em conjunto com melhorias significativas que foram necessárias para que estes pudessem lidar com redes metabólicas de grande escala. Estas melhorias resultam da identificação de problemas nos algoritmos no que diz respeito à sua escalabilidade. Um caso de estudo na Engenharia Metabólica sintética foi selecionado da literatura para validar os algoritmos e testar as capacidades da plataforma implementada. Este permitiu comparar o desempenho dos algoritmos implementados e validar as melhorias propostas