Introduction to Genome Scale metabolic network reconstructions Andrés Pinzón Ph.D. Dirección de investigación y desarrollo.

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1 Introduction to Genome Scale metabolic network reconstructions Andrés Pinzón Ph.D. Dirección de investigación y desarrollo

2 What is metabolism? Texto Metabolism is the set of chemical reactions that take place in living organisms to maintain life. These chemical reactions allow organisms to grow and reproduce, maintain their structures, and respond to the environment.

3 ...are organized into metabolic pathways, in which one chemical is transformed through a series of steps into another chemical, by a sequence of Enzymes.

4 are that catalyze chemical reactions are proteins that catalyze chemical reactions

5 Metabolic reconstruction Allow us to represent the set of biochemical reactions present in a biological system and can be interrogated by computational methods

6 DNA Metabolism (enzymes)

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14 ~1000 reactions in a typical small organism.

15 FBA: definición de una función objetivo Típicamente la rata a la que los compuestos metabólicos se convierten en biomasa.

16 La función objetivo indica que tanto cada reacción contribuye al fenotipo.

17 FBA I: representación formal de los coeficientes estequiométricos de cada reacción en la red

18 Manual reconstruction and analysis (Note: file truncated for educational porpouse!)

19 Estos coeficientes estequiométricos imponen restricciones en el flujo de metabolitos a través de la red: restricción de balance de masa.

20 FBA II: establecimiento de restricciones de flujo máximo y mínimo en cada reacción A B C R1 2 1 1 0 1000 2A+1B 1C

21 FBA III: otras restricciones pueden venir del entorno (ej. datos experimentales, hipótesis)

22 X

23 En su conjunto, la FO y las restricciones establecen un sistema de ecuaciones lineales que resuelven mediante programación lineal.

24 AnálisisCaracterísticasObjetivo Flux Balance analysis Optimización de una función objetivo. Identificar la distribución de flujos más probable, entre todos los flujos posibles en la red. Knock-out analysis Se establece en cero (0), el flujo a través de una o varias reacciones y se calcula el valor de la función objetivo. Identificar la esencialidad de una reacción en una red metabólica. Robustness analysis Se varía el flujo de una reacción, dentro de un rango definido de flujos y se recalcula cada vez la función objetivo. Identificar la sensibilidad de la función objetivo a dicha reacción. Muestra el efecto de reducir el flujo a través de una reacción. Flux Variability analysis La función objetivo se establece en un valor óptimo y se calcula el valor min. Y max. Para todas las reacciones en la red. Se pueden estudiar las redundancias del modelo. Análisis comunes en reconstrucciones metabólicas

25 Manual reconstruction and analysis

26 Automatic reconstruction and analysis http://blog.theseed.org/servers/presentations/t1/rast.html

27 Automatic reconstruction and analysis http://www.theseed.org/wiki/Main_Page

28 Automatic reconstruction and analysis http://www.genoscope.cns.fr/cycsim/org.nemostudio.web.gwt.App/App.html Texto

29 UNIVAC I Proc. 2.5Mhz Delay Line Memory 32m2 of floor space Aerobic Glycolisis

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31 http://systemsbiology.ucsd.edu/InSilicoOrganisms/OtherOrganisms Alrededor de 35 reconstrucciones metabólicas validadas se han realizado hasta hoy.

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33 Phytophthora infestans causes a serious potato disease known as Late blight. A decrease in photosynthetic capacity is characteristic in infected potatoes. Necrosis of plant tissue. Just in th USA economic losses rise to US$5'000.000.000 per year.In colombia up to 30% of total potato production cost comes just from disease control.

34 Late blight can be approached by means of an Integrative methodology Integrative methodology

35 Phytophthora infestans Solanum tuberosum A A B B C C

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39 Photosynthesis

40 Fat metabolism

41 Central metabolism

42 Aminoacids biosynthesis

43 91 Metabolic pathways 711 metabolites 635 reactions

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45 1. ("systemin") : ("prosystemin") 2. ("18_3") : ("systemin") 3. #Ethylene (ET). Ethylene inhibits OPC to C08491 (JA). 4. ("CEV1") : ("systemin") 5. "C06427" : ("18_3") 6. "C04785" : ("lox") 7. "lox" : ("LOX2") 8. "LOX2" : ("TCP") 9. "TCP" : (("UK_TCP") AND (NOT ("mi319"))) 10. "C04672" : ("AOS") 11. "C01226" : ("AOC") 12. "C04780" : ("OPR3") 13. "C08491" : (NOT ("ET")) 14. "ET" : (NOT ("CEV1")) 15. "C11512" : ("JMT")

46 DNA Metabolism

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48 Metabolic phenotype of a healthy potato

49 2-oxoglutarateL-glutamineL-glutamate 4-aminobutanoate 1.4.1.4 4.1.1.15 3.5.1.2 1.4.1.13 Alanine, aspartate and glutamate metabolism

50 Differential gel electrophoresis RT-PCR

51 Modelado computacional del sistema de defensa basal en la interacción compatible entre Solanum tuberosum y Phytophthora infestans. Alejandro López Tamayo

52 Metagenome Scale Metabolic Analysis Global Metabolic Potential GMP is defined as the sum of weights assigned to a set of metabolic reactions, potentially active in a given environment, based on evidence from multiple biological sources.

53 How different is the overall metabolism topology of a metagenome compared to some of its most relevant species? Análisis comparativo de la topología de redes de metabolismo en una muestra metagenómica del parque natural Los Nevados. William Parra

54 How different is the overall metabolism topology of one environment under different biochemical treatments? Comparative Metatranscriptomics Analysis of Microbial Communities in Organic and Conventional Potato Crops. Laura E. Cerón

55 Thank you