University of Groningen
On a quest for metabolic fluxes: sampling and inference tools using thermodynamics,
metabolome and labelling data
Taborda Saldida Alves, Joana
DOI:
10.33612/diss.157440136
IMPORTANT NOTE: You are advised to consult the publisher's version (publisher's PDF) if you wish to cite from it. Please check the document version below.
Document Version
Publisher's PDF, also known as Version of record
Publication date: 2021
Link to publication in University of Groningen/UMCG research database
Citation for published version (APA):
Taborda Saldida Alves, J. (2021). On a quest for metabolic fluxes: sampling and inference tools using thermodynamics, metabolome and labelling data. University of Groningen.
https://doi.org/10.33612/diss.157440136
Copyright
Other than for strictly personal use, it is not permitted to download or to forward/distribute the text or part of it without the consent of the author(s) and/or copyright holder(s), unless the work is under an open content license (like Creative Commons).
Take-down policy
If you believe that this document breaches copyright please contact us providing details, and we will remove access to the work immediately and investigate your claim.
Downloaded from the University of Groningen/UMCG research database (Pure): http://www.rug.nl/research/portal. For technical reasons the number of authors shown on this cover page is limited to 10 maximum.
280
samenvatting
(Vertaald door Niek de Klein en Hanna Terpstra)
Metabole fluxen zijn de belangrijkste kwantificatoren van het metabolisme, en zijn daardoor essentieel voor metabolic engineering, geneeskunde en fundamenteel onder-zoek. Omdat ze niet experimenteel kunnen worden gemeten, maakt men gebruik van wiskundige modellen voor het afleiden van fluxen met een methode die metabole fluxanalyse wordt genoemd. Diverse soorten begrenzingen en methoden worden gebruikt om de onzekerheid in schatting van fluxen aan te pakken die voortkomt uit het grote aantal vrijheidsgraden van dit wiskundige probleem. Thermodynamica kan worden gebruikt als een extra begrenzing en samplen maakt het mogelijk de fluxop-lossingsruimte, die door de begrenzingen wordt bepaald, te verkennen. Het samplen van de fluxoplossingsruimte met thermodynamische begrenzingen is echter een zeer uitdagend probleem vanwege de niet-convexiteit van de ruimte, zoals besproken in Hoofdstuk 1. De huidige state-of-the-art methode om fluxen af te leiden, 13C-metabole
fluxanalyse, combineert een stoichiometrisch model met data uit koolstoflabelingex-perimenten en wisselt fluxen uit om de beste overeenkomst tussen voorspellingen van het model en experimentele metingen. Zoals aangetoond in Hoofdstuk 1, heeft deze methode als nadeel dat ze beperkt wordt door netwerkgrootte en compartimenter-ing. Om dergelijke beperkingen de baas te zijn, worden vaak heuristische aannames gebruikt om de richting en omkeerbaarheid van reacties vast te leggen. Het doel van dit proefschrift was het ontwikkelen van nieuwe hulpmiddelen voor het kwantificeren van fluxen en hun onzekerheid zonder heuristische aannames over reactierichting en omkeerbaarheid.
281
4
samenvatting
In Hoofdstuk 2 hebben we een driestapsaanpak ontwikkeld om metabole fluxen af te leiden. We bepaalden de grenzen van de fluxoplossingsruimte voor een speci-fieke staat van het metabolisme door gebruik te maken van stoichiometrische en thermodynamische beperkingen, gecombineerd met uitwisselingsfluxen en gemeten metabolietconcentraties. Om de fluxoplossingsruimte te karakteriseren en de onze-kerheid van fluxen te kwantificeren, hebben we een nieuwe methode ontwikkeld om de hoog-dimensionale, niet-convexe oplossingsruimte, die wordt gedefinieerd door de toegepaste beperkingen, te samplen. Deze samplemethode werd gerealiseerd door de thermodynamisch haalbare oplossingsruimte op te splitsen in convexe polytopen. Ten slotte pasten we een stoichiometrisch model toe op 13C-labelingsgegevens om
de gesamplede fluxen te beoordelen en de meest waarschijnlijke waarden te vinden. Deze laatste stap werd ook uitgevoerd met een extra beperking op basis van de flux-krachtrelatie en gesamplede Gibbs reactie-energieën. Met deze driestapsbenadering waren we in staat om fluxen te schatten zonder aannames over reactierichting en omkeerbaarheid te doen. Bovendien kan men met deze nieuwe samplemethode een fluxoplossingsruimte, gedefinieerd door stoichiometrische en thermodynamische begrenzingen, karakteriseren, wat voorheen niet mogelijk was. Dit kan worden gebruikt voor het kwantificeren van de onzekerheid in fluxen. Toegepast op twee stammen van S. cerevisiae, heeft onze methode nieuwe fluxpatronen onthuld die nog niet eerder waren ontdekt.
In Hoofdstuk 3 hebben we de sterke en zwakke punten van verschillende sam-plestrategieën geëvalueerd wanneer deze toegepast worden op netwerkmodellen van verschillende complexiteit. Door de thermodynamisch haalbare oplossingsruimte op te splitsen in convexe polytopen, hebben we een Rejection Sampler, een Conditional Sampler en een Conditional Sampler met parallel temperen, oftewel replica-uitwisseling, geïmplementeerd. We hebben deze samplemethoden toegepast op twee metabole netwerken van verschillende grootte en complexiteit. De evaluatiepijplijn bestond uit een toepasbaarheidstest, autocorrelatieanalyse en convergentiediagnostiek om de efficiëntste sampler te vinden. Voor een klein netwerk van 82 reacties vonden we dat de Rejection Sampler de het meest geschikt is, terwijl voor een groter netwerk van 258 reacties de Conditional Sampler nodig was om de efficiëntie te verhogen. Met de extra complexiteit van beperking door de energiebalans, kon alleen een voorwaardeli-jke sampler met parallelle tempering de fluxoplossingsruimte van beide netwerken samplen. We verwachten dat deze analyse de betrouwbaarheid van het samplen van thermodynamisch beperkte fluxoplossingsruimten met de nieuwe methode zal vergroten.
282
samenvatting
Concluderend genereert deze nieuwe methode voor het afleiden van fluxen verdelingen die in overeenstemming zijn met stoichiometrie, thermodynamica en experimentele gegevens over uitwisselingsfluxen, metabolietconcentraties en koolstoflabeling, zonder gebruik te maken van aannames over reactierichting of -reversibiliteit. Het samplen van thermodynamisch beperkte fluxoplossingsruimten zal een nuttig instrument zijn in metabole fluxanalysestudies, voor het kwantificeren van fluxonzekerheid en om verbanden tussen verschillende delen van het metabolisme te onderzoeken. We voor-zien dat de methode in zijn geheel een aanwinst zal zijn om bestaande hypothesen te valideren, nieuwe fluxpatronen te ontdekken en fluxen te schatten met realistischer netwerkmodellen of in hogere organismen.
