Development of computational methods for the determination of biomass composition and evaluation of its impact in genome-scale models predictions

Dissertação de mestrado em BioinformáticaThe use of genome-scale metabolic models is rapidly increasing in fields such as metabolic engineering. An important part of a metabolic model is the biomass equation, since this reaction will be used as the objective function in most simulation approaches. In order to obtain a reliable metabolic model, the biomass precursors and their coefficients must be as precise as possible. Ideally, the determination of the biomass composition would be performed experimentally, but due to technical limitations in cellular components quantification, budget restraints and time limitations, this is often established by approximation to closely related organisms. Computational methods however, can extract some information from the genome, such as amino acid and nucleotide compositions. One main objective in this study was to evaluate how biomass precursor coefficients computationally determined, affected the predictability of several genome-scale metabolic models by comparison with experimental data. Sensitivity analysis studies were performed with the Escherichia coli iAF1260 metabolic model concerning specific growth rate and flux distribution. Several metabolic models, whose biomass composition had been experimentally determined, were used to evaluate the impact of biomass coefficients on growth rates and flux distributions. In this study, biomass precursor coefficients were changed based on data obtained from computational methods and from closely related organisms. The results obtained from these two changes were then compared to the results obtained from the model using the experimentally determined biomass composition. Finally, analytical methods were established for macromolecule quantification and protein, DNA and RNA content of Helicobacter pylori biomass were experimentally determined. The results obtained suggest that small modifications (around 1×10-2) in biomass precursor coefficients have no significant impact on the computed specific growth rate and flux distributions. We also observed that, despite computationally determined biomass coefficients present differences to those experimentally determined, the growth rate and flux distributions have similar results (differences below 1,5 %). Surprisingly, specific growth rates and flux distributions were more distant from experimental data when adopting biomass precursor coefficients from closely related organisms.O uso de modelos metabólicos à escala genómica tem grande importância áreas, tais como a engenharia metabólica. A equação da biomassa é uma das reações fundamentais nestes modelos, uma vez que esta reacção é usada como função objectivo na maioria das abordagens de simulação. Para se obter um modelo à escala genómica coerente, os percursores da biomassa devem ser o mais precisos possível. A composição da biomassa deveria ser determinada experimentalmente; contudo, devido a limitações técnicas de quantificação, limitações de material biológico e tempo, muitos modelos metabólicos adoptam a composição da biomassa de organismos similares. No entanto, alguns métodos computacionais conseguem estimar coeficientes de aminoácidos e nucleótidos, a partir de informação do genoma. Neste trabalho, pretende-se avaliar o impacto que os coeficientes estimados a partir da informação do genoma, têm na previsão destes modelos à escala genómica, comparando-os com dados experimentais. Realizou-se uma análise de sensibilidade aos coeficientes da composição da biomassa do modelo à escala genómica da Escherichia coli iAF1260, comparando valores de taxa específica de crescimento e distribuição de fluxos. Foram também usados outros modelos à escala genómica, que possuem composição da biomassa com dados experimentais, de modo a avaliar o impacto da alteração da composição da biomassa na taxa específica de crescimento e distribuição de fluxos. Neste estudo fez-se a alteração da composição da biomassa com valores estimados in silico e com valores experimentais de organismos similares. Os valores de taxa específica de crescimento e de distribuição de fluxos obtidos para cada composição de biomassa foram comparados com os respectivos valores da composição da biomassa experimental. Por fim, procedeu-se também à implementação de métodos para análise da composição da biomassa em macromoléculas e determinou-se experimentalmente a composição de proteína, DNA e RNA total para o organismo Helicobacter pylori. Os resultados obtidos sugerem que pequenas alterações (na ordem de 1×10-2) nos coeficientes da composição da biomassa não afectam os valores das taxas específicas de crescimento e distribuição de fluxos. Observa-se também que os coeficientes da biomassa estimados a partir da composição do genoma, apesar de não serem muito semelhantes aos determinados experimentalmente, produzem resultados de taxa específica de crescimento e distribuição de fluxos muito semelhantes (diferenças menores que 1,5%). Estas diferenças são menores do que quando se adopta composições de biomassa de organismos semelhantes.Fundação para a Ciência e a Tecnologia (FCT) - Project FCOMP-01-0124-FEDER-009707 (HeliSysBio-molecular Systems Biology in Helicobacter pylori).ERDF - European Regional Development Fund through the COMPETE Programme (operational programme for competitiveness)