[发明专利]分析和优化代谢网络的方法

说明书

本文描述了一种用于分析二分图数据结构以缩合代谢网络的反应路径的方法。细胞的代谢网络构造为二分图，在二分图中，分子节点表示代谢中的分子，连接分子节点的边表示化学反应或过程。二分图中的分子节点根据导入和导出每个节点的边的数量进行分类。如果二分图的结构指示分子节点对代谢网络的数学模型的通量值解没有贡献，则从二分图中阻断或去除该节点及其连接的反应路径。因此，可以降低二分图的复杂度，并识别关键的节点和路径。

技术领域

本描述通常涉及在稳定状态(steady state)假设下通过分析网络的数据结构表示并阻断或去除网络的通量值解的非贡献反应路径来识别代谢网络的特征。

背景技术

活生物体细胞的代谢系统可以被概念化为反应物和产物之间的路径的链接网络。该链接网络可以用在代谢的数学模拟中以重现细胞行为，并尝试识别关键的代谢路径以及代谢变化对较大细胞环境的影响。然而，即使是简单的生物体，代谢系统中的分子和反应的数量也可能从数百到数千不等。代谢网络的庞大规模使其计算笨拙，每次数学模拟都需要很长的运行时间。此外，由于网络的路径通常来自各种来源，诸如原始文献、数据库和生物化学教科书，因此很难使用几十种以上的化合物来评估网络的正确性。网络的笨拙特性也使得很难识别网络中的关键路径或者破坏或影响代谢的潜在目标。

发明内容

代谢网络可以构造为具有两个不同的节点集的二分图。第一个是表示代谢中的分子的分子节点，第二个是表示可能涉及多个不同角色的分子的生化过程或反应的过程节点。二分图中的边将分子节点连接到表示它们参与的反应的过程节点。边存储有关分子节点在过程节点的反应中扮演的角色的信息。通过分析二分图的结构，可以根据导入和导出每个分子节点的边数的数量对分子节点进行分类，其中，边的总数指示该分子在其中扮演了角色的反应总数。当二分图用于进行稳定状态假设的代谢的数学模拟中时，仅代谢网络的某些部分可能对所得到的数学解有贡献。稳定状态假设提供了一组标准，可以用来减小二分图的规模。遵循这些标准并使用节点的边计数可以减少代谢网络，从而减少与模拟代谢相关的计算，还可以识别代谢的关键反应路径和分子节点。

一种用于分析二分图数据结构以缩合(condense)代谢网络的反应路径的方法，包括在二分图数据结构中接收代谢网络。二分图数据结构包括多个分子节点，并且每个分子节点都是代谢反应中的分子。二分图数据结构包括连接多个分子节点中至少两个分子节点的多个边，其中，每个边导出第一分子节点并导入第二分子节点表示第一分子是反应物且第二个分子是产物的代谢反应。该方法包括对于二分图数据结构中的每个分子节点，基于导入每个分子节点的边的第一数量，确定每个分子是其产物的代谢反应的第一数量。该方法包括对于二分图数据结构中的每个分子节点，基于导出每个分子节点的边的第二数量，确定每个分子是其反应物的代谢反应的第二数量；该方法包括响应于确定第一数量的边中没有一个导入第三分子节点，或第二数量的边中没有一个导出所述第三分子节点，阻断二分图数据结构中连接到第三分子节点的所有分子节点和边的第一反应路径。

附图说明

图1是示出根据一个实施例的构造为二分图的代谢网络的框图。

图2是根据一个实施例的代谢网络中的汇合节点的图示。

图3是根据一个实施例的代谢网络中的分叉节点的图示。

图4是根据一个实施例的在代谢网络中的联结节点的图示。

图5是根据一个实施例的代谢网络中的孤立(orphan)节点的图示。

图6是根据一个实施例的代谢网络中的未使用的节点的图示。

图7是根据一个实施例的代谢网络中的未制成(unmade)的节点的图示。

图8是根据一个实施例的代谢网络中的中间节点的图示。

图9A是根据一个实施例的代谢网络的简略图形表示。

图9B是根据一个实施例的图9A的代谢网络的阻断的路径的简略图形表示。