miniaturadeimagen|240px|Red metabólica mostrando las interacciones entre las enzimas y los metabolitos en el ciclo de ácido cítrico en Arabidopsis thaliana. Las enzimas y los metabolitos son los puntos rojos y sus interacciones son las líneasLa reconstrucción y simulación de rutas metabólicas permite una visión más detallada de los mecanismos moleculares de un organismo en específico. En particular, estos modelos correlacionan el genoma con la fisiología molecular. Una reconstrucción rompe las vías metabólicas (tales como la glucólisis y el ciclo del ácido cítrico) en sus respectivas reacciones y enzimas, y los analiza en la perspectiva de una red entera. En términos simples, una reconstrucción reúne toda la información metabólica relevante de un organismo y la compila en un modelo matemático. La validación y el análisis de las reconstrucciones permite la identificación de características clave del metabolismo, como el rendimiento del crecimiento, la distribución de recursos, la robustez de la red y la esencialidad de genes. Este conocimiento puede ser aplicado para la creación de biotecnología novedosa.
En general, el proceso para elaborar una reconstrucción es el siguiente: Hacer un borrador de la reconstrucción Clarificar el modelo Convertir el modelo en una representación matemática o computacional Evaluar y depurar el modelo por medio de experimentación miniaturadeimagen|240px|Modelo de la red metabólica para Escherichia coli.
Reconstrucción metabólica a escala genómica Una reconstrucción metabólica proporciona una plataforma matemática altamente estructurada para entender los sistemas biológicos de las vías metabólicas dentro de un organismo. La integración de las rutas metabólicas bioquímicas con secuencias del genoma no registradas ha desarrollado los llamados modelos metabólicos de escala genómica. En pocas palabras, estos modelos corresponden a genes del metabolismo de las vías metabólicas. En general, a mayor información disponible sobre la fisiología, la bioquímica y la genética del organismo objetivo, mejor será la capacidad de predicción de los modelos reconstruidos. El proceso de reconstrucción de las redes metabólicas de eucariotas y procariotas es esencialmente el mismo. Las reconstrucciones de eucariotas normalmente son más difíciles debido al tamaño de su genoma, a la cobertura de conocimientos y la multitud de compartimiento celulares. El primer modelo metabólico a escala genómica fue generado en 1995 para Haemophilus influenzae. En 1998 se reconstruyó el primer organismo multicelular, C. elegans. Desde entonces, se han realizado muchas reconstrucciones. Par ver la lista de las reconstrucciones que se han convertido en un modelo experimentalmente validado, véase http://sbrg.ucsd.edu/InSilicoOrganisms/OtherOrganisms.
Organismo Genes en el Genoma Genes en el Modelo Reacciones Metabolitos Fecha de reconstrucción Referencia Haemophilus influenzae 1,775 296 488 343 Junio de 1999 Escherichia coli 4,405 660 627 438 Mayo de 2000 Saccharomyces cerevisiae 6,183 708 1,175 584 Febrero de 2003 Mus musculus 28,287 473 1220 872 Enero de 2005 Homo sapiens 21,090 3,623 3,673 -- Enero de 2007 Mycobacterium tuberculosis 4,402 661 939 828 Junio de 2007 Bacillus subtilis 4,114 844 1,020 988 Septiembre de 2007 Synechocystis sp. PCC6803 3,221 633 831 704 Octubre de 2008 Salmonella typhimurium 4,489 1,083 1,087 774 Abril de 2009 Arabidopsis thaliana 27,379 1,419 1,567 1,748 Febrero de 2010
Elaboración de una reconstrucción
Recursos Debido a que la escala de tiempo para el desarrollo de reconstrucciones es muy reciente, la mayoría de las reconstrucciones se han construido de manera manual. Sin embargo, en la actualidad existen algunos recursos que permiten el montaje semiautomático de estas reconstrucciones, son utilizados debido al tiempo y esfuerzo que se necesita para realizar una reconstrucción. Una rápida reconstrucción inicial se puede desarrollar de manera automática utilizando recursos como PathoLogic o ERGO junto con enciclopedias como MetaCyc, y después realizando una actualización de manera manual usando recursos como PathwayTools. Estos métodos semiautomáticos posibilitan una creación rápida, mientras se realizan los ajustes requeridos una vez que se encuentran nuevos métodos experimentales. De esta manera el campo de las reconstrucciones metabólicas crecerá debido al constante aumento del número de genes registrados.
Bases de datos Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes (KEGG): una base de datos bioinformática que contiene información sobre genes, proteínas, reacciones y vías. La sección de ‘KEGG Organisms’, se encuentra dividida en procariotas y eucariotas, abarca muchos organismos de los cuales sus genes y ADN se puede buscar de manera sencilla escribiendo el nombre de la enzima elegida. BioCyc, EcoCyc, y MetaCyc: BioCyc es una colección de la base de datos de 3,000 vías/genomas (como de Oct 2013), cada base de datos está dedicada a un organismo. Por ejemplo, EcoCyc es una base de datos bioinformática altamente detallada acerca del genoma y la reconstrucción metabólica de Escherichia coli, incluye descripciones exhaustivas de la batería y de la red de señalización y regulación de vías. La base de datos EcoCyc puede funcionar como un paradigma y modelo para cualquier reconstrucción. Además, MetaCyc, una enciclopedia de vías metabólicas y enzimas experimentales, contiene 2,100 vías metabólicas y 11,400 reacciones metabólicas (Oct 2013). ENZYME: Base de datos de la nomenclatura de las enzimas (parte del servidor de proteómica ExPASy servidor del Swiss Institute of Bioinformatics). Después de buscar una enzima en particular en la base de datos, este recurso informa la reacción que cataliza. Esta tiene enlaces directos a otras bases de datos de genes/enzimas/literatura como KEGG, BRENDA, y PUBMED. BRENDA: Una amplia base de datos de enzimas que permite la búsqueda de enzimas por su nombre, número EC, u organismo. BiGG: Base de conocimientos de la bioquímica, genética y genómica de la reconstrucciones de las redes metabólicas. metaTIGER: Es una colección de perfiles metabólicos e información sobre la filogenia de un rango diverso de eucariotas que provee nuevas facilidades para ver y comparar los perfiles metabólicos entre organismos.
Esta tabla compara de manera rápida el alcance de cada una de las bases de datos.Base de datos Alcance Enzimas Genes Reacciones Rutas Metabolitos KEGG X X X X X BioCyc X X X X X MetaCyc X X X X ENZYME X X XBRENDA X X XBiGG X X X
Herramientas para el Modelado Metabólico Pathway Tools: Paquete de software de bioinformática que ayuda a la construcción de rutas genómicas de las bases de datos como EcoCyc. Desarrollada por Peter Karp y asociados en el SRI International Bioinformatics Research Group, las herramientas para las rutas tienen varios componentes. Su módulo PathoLogic toma un genoma anotado para un organismo e infiere probables reacciones metabólicas y rutas para producir una nueva base de datos de ruta/genoma. Su componente MetaFlux puede generar un modelo metabólico cuantitativo para esa base de datos de ruta/genoma usando un análisis de balance de flujo. Su componente Navigator provee extensas herramientas de visualización y consulta, como la visualización de metabolitos, rutas y la red metabólica completa. ERGO: Servicio basado en la suscripción, desarrollado por Integrated Genomics. Integra datos de todos los niveles incluyendo genómica, datos bioquímicos, literatura, y el análisis de alto rendimiento de una red en una ruta metabólica y no metabólica, de fácil comprensión. KEGGtranslator: Una aplicación autónoma fácil de usar en la que se puede visualizar y convertir archivos de KEGG (formato KGML, archivos XML) en múltiples formatos de salidas. A diferencia de otros traductores, KEGGtranslator es compatible con una gran variedad de formatos salida, puede aumentar la información en los documentos traducidos (por ejemplo, anotaciones MIRIAM), modifica los componentes que faltan para las reacciones fragmentarias dentro de la vía para permitir simulaciones al respecto. KEGGtranslator convierte estos archivos estos archivos a SBML, BioPAX, SIF, SBGN, SBML con una extensión de modelado cualitativo GML, GraphML, JPG, GIF, látex, etc. Las rutas en KEGG pueden ser obtenidas de manera directa dentro de la aplicación. : Recurso en línea para el análisis, la comparación, reconstrucción y curación de los modelos metabólicos a escala genómica. Los usuarios pueden subir las secuencias del genoma al sistema de anotación RAST, y la anotación resultante puede ser entubada automáticamente en el modelo SEED para producir un borrador del modelo metabólico. El modelo SEED construye automáticamente una red de reacciones metabólicas, asociaciones de reacciones gen-proteína para cada reacción, y la composición de la biomasa de cada genoma para producir un modelo del metabolismo microbiano que puede ser estimulado usando Análisis de Balance de Flujo. MetaMerge: Algoritmo para la conciliación semiautomática de algunas reconstrucciones existentes de la red metabólica en un único modelo.
Herramientas para la literatura PUBMED: Esta librería en línea desarrollada por el National Center for Biotechnology Information, contiene una colección masiva de revistas médicas. Utilizando el enlace web proporcionado por ENZYM, la búsqueda puede ser directa hacia el organismo de interés, recuperando así la literatura sobre la enzima y su uso en el interior del organismo.
Metodología para un proyecto de reconstrucción miniaturadeimagen|Representación visual del proceso de reconstrucción de una red metabólica.
Una reconstrucción se construye por medio de la compilación de datos de los recursos anteriormente mencionados. Herramientas de base de datos como KEGG y BioCyc se pueden utilizar en conjunto para encontrar todos los genes metabólicos del organismo de interés. Estos genes serán comparados con organismos estrechamente relacionados de los cuales ya han sido desarrolladas reconstrucciones para así encontrar genes homólogos y sus reacciones. Los genes homólogos y las reacciones son transferidos de las reconstrucciones conocidas para formar el proyecto de reconstrucción del organismo de interés. Herramientas como ERGO, Pathway Tools and Model SEED puede compilar datos de una ruta para formar una red de rutas metabólicas y no metabólicas. Estas redes se verifican y refinan antes de convertirlas en una simulación matemática.
El aspecto predictivo de una reconstrucción metabólica depende de la capacidad para predecir la reacción bioquímica catalizada por una proteína usando la secuencia de aminoácidos de esa proteína como una entrada, y para deducir la estructura de una red metabólica basada sobre el conjunto previsto de reacciones. Una red de enzimas y metabolitos es redactada para relacionar secuencias y funciones. Cuando una proteína no caracterizada es encontrada en el genoma, se compara primero su secuencia de aminoácidos con la de proteínas que ya han sido caracterizadas para buscar homología. Al encontrar una proteína homóloga, se considera que las proteínas tienen un ancestro en común y se infiere que sus funciones son similares.
Sin embargo, la calidad de un modelo de reconstrucción depende de su capacidad de inferir con precisión el fenotipo directamente de la secuencia, por lo que esta estimación aproximada de la función de proteínas no es suficiente. Una serie de algoritmos bioinformáticos y recursos se han desarrollado para el refinamiento de las asignaciones basados en homología de secuencia de funciones de la proteína: InParanoid : Identifica eucariotas ortólogas observando sus in-paralogos. CDD: Recurso para la anotación de unidades funcionales en proteínas. Su colección de modelos de dominios utiliza la estructura en 3D para proporcionar información sobre las relaciones de secuencia / estructura / función.