ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
ĐẶNG CAO CƢỜNG
MỘT SỐ PHƢƠNG PHÁP PHÂN TÍCH TRONG
MẠNG TRAO ĐỔI CHẤT
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Ngành: Công nghệ Thông tin
Chuyên ngành: Khoa học Máy tính
Mã số: 60 48 01 LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS. Hoàng Xuân Huấn
Hà Nội – 2008
1
MỤC LỤC
MỤC LỤC 1
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, THUẬT NGỮ VIẾT TẮT 3
DANH MỤC CÁC BẢNG 4
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ 5
MỞ ĐẦU 7
CHƢƠNG 1 - QUÁ TRÌNH TRAO ĐỔI CHẤT VÀ MẠNG TRAO ĐỔI CHẤT 10
4.2.1. Khái quát về xoá bỏ gen (Gene Knockouts hay Mutant) 34
4.2.2. Cực tiểu hoá điều chỉnh trao đổi chất (Minimization Of Metabolic
Adjustment - MOMA) 34
4.2.3. Cực tiểu hoá thay đổi điều hoà (Regulatory On/Off Minimization -
ROOM) 39
CHƢƠNG 5 - BÀI TOÁN CỤ THỂ VÀ PHƢƠNG PHÁP TIẾP CẬN 45
5.1. Phát biểu bài toán 45
5.2. Phƣơng pháp FBA/MOMA cải tiến 49
5.3. Tìm kiếm những cặp gen không giao hoán 49
CHƢƠNG 6 - KẾT QUẢ VÀ ĐÁNH GIÁ 51
6.1. FLUXOR - một hệ thống phần mềm để nghiên cứu các hệ thống sinh học sử
dụng phƣơng pháp FBA/MOMA 51
6.2. Phƣơng pháp FBA cải tiến 52
6.3. Các gen không giao hoán 53
KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN 56
TÀI LIỆU THAM KHẢO 57
3
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, THUẬT NGỮ VIẾT TẮT
FBA
Flux balance analysis
MOMA
Minimization Of Metabolic Adjustment
ROOM
Regulatory On/Off Minimization - ROOM
LP
Linear Programming
QP
Quadratic programming
NP-Hard
Hình 3.3 Minh hoạ ma trận stoichiometry [50]. 30
Hình 4.1 Không gian dòng của một mạng trao đổi chất có thể biểu diễn nhƣ một
hình nón. 32
Hình 4.2 Minh hoạ hàm mục tiêu của một mạng trao đổi chất: Z=B+D+2E 34
Hình 4.3 Mô hình xoá bỏ gen [8] 34
Hình 4.4 Nguyên lý tối ƣu của FBA và MOMA [4]. 35
Hình 4.5 Minh hoạ nghiệm của phƣơng pháp MOMA trên không gian nhiều
chiều 36
Hình 4.6 Một minh hoạ cho các đƣờng phản ứng (pathway) của mạng carbon
trung tâm của E. coli, màu sắc đƣợc sử dụng để phân biệt các pathway khác
nhau [4]. 37
Hình 4.7 Một ví dụ về dự đoán dòng của E. coli đột biến [4] 37
Hình 4.8 Kết quả dự đoán phân phối dòng của MOMA và FBA [4] . 38
Hình 4.9 So sánh FBA, MOMA và ROOM [8]. 42
Hình 4.10 Giản đồ miêu tả mạng trao đổi chất carbon trung tâm của E. coli [8].
43
6
Hình 4.11 Danh sách 50 gen MOMA dự đoán nhầm. 44
Hình 5.1 Một mô hình của cặp gen không hoán vị A và B 46
Hình 5.2 Một biểu đồ thể hiện tính bất đồng bộ của quá trình xoá các cặp gen
[3]. 47
Hình 5.3 Một minh hoạ trƣờng hợp có nhiều nghiệm tối ƣu tự nhiên và ảnh
hƣởng của chúng tới các nghiệm chiếu vuông góc (dạng đột biến) [3]. 48
Hình 6.1 Hệ thống phần mềm FLUXOR sử dụng phƣơng pháp FBA/MOMA. 51
Hình 6.2 So sánh FBA chuẩn và FBA cải tiến 52
Hình 6.3 So sánh FBA chuẩn và FBA cải tiến (phóng to) 53
7
MỞ ĐẦU
Nghiên cứu mạng trao đổi chất đã thu hút nhiều sự quan tâm trong những
các đột biến. Để kiểm chứng giả thuyết chúng tôi sử dụng mô hình mạng trao
đổi chất mới nhất JR904 của vi khuẩn Escherichia coli và các phƣơng pháp
FBA, MOMA để tìm kiếm các chuỗi gen có tính không giao hoán nhƣ đã mô tả.
8
Chúng tôi đã tìm ra một số chuỗi gen có tính chất trên chứng tỏ giả thuyết đƣa ra
là có ý nghĩa và cơ sở khoa học.
Ngoài ra trong quá trình sử dụng FBA, chúng tôi phát hiện một nhƣợc điểm
của phƣơng pháp FBA hiện tại là các dòng trao đổi chất có những giá trị quá lớn
(cỡ 10.000) – không mang tính sinh học và có thể dẫn đến các kết quả không
chính xác khi dùng cho MOMA. Vì vậy luận văn đề xuất một cải tiến cho FBA
để tăng cƣờng tính chính xác cũng nhƣ ý nghĩa sinh học của các kết quả dự
đoán. Ƣu điểm của phƣơng pháp đề xuất đƣợc kiểm chứng bằng kết quả thực
nghiệm trên mô hình mạng trao đổi chất mới nhất JR904 của E. coli.
Cuối cùng chúng tôi phát triển một hệ thống phần mềm mã nguồn mở để
phục vụ cho quá trình nghiên cứu này. Hệ thống phân mềm này giúp giải phóng
các nhà sinh học khỏi những tính toán phức tạp để tập trung vào vấn đề thực sự
cần quan tâm, nghiên cứu.
Các kết quả nghiên cứu đƣợc công bố trong hai báo cáo khoa học ở Hội
nghị quốc tế PRICAI 2008 và Hội thảo quốc gia CNTT, Huế 2008 (xem [3],
[1]).
Ngoài phần kết luận, luận văn đƣợc trình bày nhƣ sau :
Chƣơng 1 : Quá trình trao đổi chất và mạng trao đổi chất
Giới thiệu quá trình chuyển hoá chất của sinh vật và mạng trao đổi chất - một
mô hình toán học để nghiên cứu quá trình trao đổi chất.
Chƣơng 2 : Cơ sở toán học
Giới thiệu về quy hoạch tuyến tính và quy hoạch bậc hai, cơ sở toán học chính
cho các phƣơng pháp FBA, MOMA.
Chƣơng 3 : Mạng trao đổi chất của E. coli
Trong chƣơng này , chúng tôi giơ
́
trao đổi, chúng tạo nên một mạng liên kết phức tạp tự điều khiển để duy trì trạng
thái cân bằng nội môi (homeostasis) của tế bào. Mỗi CRE đƣợc cấu thành từ một
hay nhiều chuỗi DNA motifs (thành phần phiên mã gắn kết vị trí thƣờng nằm ở
phần đầu gen), chúng hoạt động nhƣ một thành phần uỷ nhiệm để nhận các tín
hiệu điều hoà bằng cách gắn kết với các tín hiệu phân tử và thành phần phiên
mã. Mỗi mức hoạt động của motif cùng với sự điều khiển kết hợp tự nhiên giữa
chúng xác định khả năng kích hoạt của một gen. Từ đó chúng ta cần tìm các
motif và các hoạt động cơ bản phụ thuộc ngữ cảnh của chúng để xây dựng mạng
sinh học mức độ gen, từ đó giúp chúng ta hiểu “Bộ gen mã hoá các đặc tính của
cơ thể nhƣ thế nào”.
Ngoài ra, nhƣ chúng ta đã biết, protein còn là sản phẩm của gen và cùng
với hoạt động của các CRE, chúng có trách nhiệm với hầu hết các chức năng
sinh học trong cơ thể sinh vật. Trong đó chức năng đáng kể nhất là sản sinh năng
lƣợng của tế bào, ở đó chúng chuyển các chất từ dạng này sang dạng khác để
sinh ra hoặc hấp thu năng lƣợng. Nghiên cứu các hệ protein và chất trao đổi, làm
rõ các trạng thái tƣơng ứng của chúng cũng nhƣ trạng thái thể hiện của một cơ
thể khi đáp ứng với một tín hiệu của môi trƣờng giúp chúng ta hiểu rõ cơ chế
chủ yếu của sinh học.
Do đó để hiểu rõ cơ chế mã hoá gen cũng nhƣ cơ chế phản ứng với điều
kiện môi trƣờng, chúng ta cần hiểu các đặc tính của quá trình điều hoà gen và
khả năng của hệ protein, hệ trao đổi chất cũng nhƣ mối liên quan phức tạp giữa
chúng để xây dựng đƣợc một nền tảng về các hoạt động của tế bào. Do sự quan
trọng nhƣ vậy, chúng ta cần nghiên cứu thống nhất tập trung với ba mục tiêu: lý
giải quá trình điều hoà gen, phân tích các trạng thái của hệ protein và tìm ra các
11
nguyên lý hoạt động mới của quá trình trao đổi trong các hệ sinh học. Mục tiêu
là làm sáng tỏ các nguyên tắc cơ bản của tế bào hay nói cách khác là ngôn ngữ
của các chức năng sinh học. Luận văn thạc sĩ này tập trung vào một trong ba
mục tiêu trên là mạng trao đổi chất và các phƣơng pháp phân tích chúng.
Nghiên cứu mạng trao đổi chất đã thu hút nhiều sự quan tâm những năm
và chất béo [52].
1.2.1. Sự biến đổi Protein
Protein là một loại hợp chất hữu cơ phức tạp đƣợc cấu tạo từ các acid amin.
chiếm 60-80% trọng lƣợng khô của tổ chức tế bào, thành phần của các enzym
xúc tác sinh học, là thành phần của huyết tƣơng đảm bảo áp suất thẩm thấu,
tham gia vào hệ thống đệm góp phần ổn định nội môi, là các kháng thể, tham gia
chức năng bảo vệ cơ thể…và còn có khả năng cung cấp năng lƣợng cho cơ thể
hoạt động. Khi oxi hóa 1g protide sẽ giải phóng 4,1Kcal năng lƣợng.
13
Hình 1.2. Vòng tuần hoàn axít citric, một trong những phần quan trọng của
quá trình trao đổi chất [52].
Protein chứa trong thực phẩm đƣợc hấp thu và biến đổi đi vào ống tiêu hóa,
phân giải thành các acid amin ở ruột non, hấp thụ qua thành ruột đi vào các mao
mạch và theo máu đến gan. Một phần các acid amin này đƣợc sử dụng để tổng
hợp các prôtêin cấu trúc và các men, phần khác đƣợc máu chuyển đến các tổ
chức để tổng hợp các protein của tổ chức và để dự trữ ở tế bào. Quá trình khử
các acid amin này tạo các amoniac, urê, acid uric và creatinin, gọi là nitơ cặn
trong máu, trung bình là khoảng 23-25mg%. Phần acid amin còn lại có thể đƣợc
chuyển thành glucid, lipid, hoặc oxi hóa để cung cấp năng lƣợng, tạo thành CO2
và nƣớc. Sản phẩm phân hủy cuối cùng của protein sẽ đƣợc thải ra ngoài cùng
với nƣớc tiểu và mồ hôi.
14
Chất protein trong thực phẩm từ nguồn gốc động vật là nguồn cung cấp
những acid amin thiết yếu, những thức ăn từ thực vật thƣờng bị thiếu một số
acid amin thiết yếu, do đó, sự phối hợp các thực phẩm từ nguồn gốc động vật và
thực vật sẽ đảm bảo đáp ứng các nhu cầu về các acid amin thiết yếu cũng nhƣ
các chất dinh dƣỡng khác.
Trong cơ thể, protein thƣờng xuyên đƣợc chuyển hoá. Khi thừa, protein sẽ
chuyển thành glucide hoặc lipid. Khi thiếu prôtêin, sự trao đổi chất sẽ bị rối
40mg% thì hoạt động của thần kinh trung ƣơng sẽ bị rối loạn sẽ dẫn đến hiện
tƣợng choáng do hạ đƣờng huyết.
1.2.3. Sự biến đổi Lipid
Lƣợng lipid trong cơ thể chủ yếu chứa trong các mô mỡ khoảng 10-20%
trọng lƣợng cơ thể, có thể thay đổi phụ thuộc vào chế độ ăn, giới tính, tuổi, đặc
điểm cấu trúc thể trạng con ngƣời, mức độ vận động…, là những kho dự trữ
năng lƣợng lớn của cơ thể. Khi oxi hóa 1g lipid sẽ cung cấp 9,3 kcal. Ngoài ra,
nó còn là thành phần cấu tạo quan trọng của nguyên sinh chất, nhân và màng tế
bào.
Thực phẩm có chứa chất béo khi vào cơ thể đƣợc phân hủy thành acid béo
và glycerin ở các tế bào của thành ruột, tại đây các acid béo lại đƣợc tổng hợp
thành lipid đặc trƣng cho từng chủng loại. Từ ruột, mỡ đƣợc hấp thu vào máu rồi
đi đến gan. Từ gan các phân tử lipid và các acid béo tự do đƣợc vận chuyển đến
các tế bào, cơ quan khác nhau để tạo năng lƣợng. Chất béo là nguồn cung cấp
năng lƣợng lớn nhất. Với một trọng lƣợng bằng nhau, chất béo chứa năng lƣợng
nhiều gấp hai lần so với chất bột đƣờng hoặc chất đạm.
Ngoài việc cung cấp năng lƣợng, các chất béo là nguồn duy nhất cung cấp
acid linoleic và acid linolenic (là 2 acid béo thiết yếu mà cơ thể không thể tổng
hợp đƣợc). Acid linoleic hiện diện với lƣợng lớn trong các dầu thực vật nhƣ dầu
mè, dầu bắp, dầu đậu nành. Dầu đậu phộng và bơ đậu phộng cũng chứa một ít
acid linoleic, còn acid alpha linolenic có trong cá, hải sản, đậu nành, rau xanh…
Các chất béo còn giúp vận chuyển các vitamin tan trong chất béo. Những
vitamin tan trong chất béo là các vitamin A, D, E và K. Chất béo cũng bổ sung
thêm hƣơng vị cho thực phẩm và làm tăng cảm giác no vì giữ thực phẩm trong
dạ dày lâu hơn. Nhu cầu chất béo khoảng 1-1,5 g/kg (20-25%).
16
Khi oxi hóa lipid, năng lƣợng đƣợc giải phóng lớn hơn khi oxi hóa glucide,
tuy nhiên lại đòi hỏi tiêu hao oxi nhiều hơn. Vì vậy việc sử dụng lipid để cung
cấp năng lƣợng chỉ phù hợp với điều kiện có thể cung cấp oxi đầy đủ. Việc sử
dụng lipid để cung cấp năng lƣợng phụ thuộc vào mức độ oxi hóa glucide.
chất thông qua quá trình trao đổi chất cung cấp năng lƣợng cho cơ thể. Giá trị
năng lƣợng của mỗi loại thức ăn phụ thuộc vào hàm lƣợng các chất tạo ra năng
lƣợng trong đó.
Các chất dinh dƣỡng cung cấp từ thực phẩm đƣợc máu hấp thụ và vận
chuyển đến tế bào. Tại đây, các chất này tham gia vào các phản ứng chuyển hoá
phức tạp và hoá năng của các chất đƣợc chuyển thành các hợp chất giàu năng
lƣợng là ATP ( Adenozin triphosphat) . ATP trong quá trình phân giải sẽ cung
cấp năng lƣợng cho mọi hoạt động của cơ thể. Lƣợng ATP luôn đƣợc tái tổng
hợp tuỳ theo mức độ tiêu hao. Các chất creatin photphat (CP), glucoza và
glycogen có thể phân giải để tạo năng lƣợng cho quá trình tái tổng hợp ATP
trong điều kiện yếm khí. Quá trình tái tạo năng lƣợng còn có thể là sự oxi hoá
các chất glucoza, glycogen, acid béo tự do, glycerol và những sản phẩm không
chứa nitơ của acid amin trong điều kiện hiếu khí.
Hình 1.3. Mô hình khái quát vòng tuần hoàn axít citric [52].
18
Một câu hỏi đƣợc đặt ra là vấn đề tiêu hao năng lƣợng là do đâu? Đó chính
là sự chuyển hoá cơ sở và tiêu hao năng lƣợng bổ sung.
Chuyển hoá cơ sở là mức chuyển hoá năng lƣợng của cơ thể trong điều
kiên cơ sở, bao gồm việc sử dụng năng lƣợng cần thiết cho sự sống của tế bào ở
mức các quá trình oxi hoá đảm bảo trƣơng lực cơ và hoạt động của các hệ thống
(hô hấp, tim-mạch, gan, thận, não) ở mức tối thiểu, còn tiêu hao năng lƣợng bổ
sung là số năng lƣợng cơ thể phải sử dụng thêm (so với mức cơ sở) để hoàn
thành bất kì một hoạt động sống nào nhƣ tiêu hoá thức ăn, duy trì tƣ thế và điều
nhiệt, vận động cơ bắp.
Tất cả các hoạt động chức năng của cơ thể trong quá trình trao đổi chất và
chuyển hoá năng lƣợng bao giờ cũng sinh ra nhiệt. Nhiệt đó có thể tích lại trong
cơ thể hoặc tỏa ra môi trƣờng xung quanh, tạo nên thân nhiệt của cơ thể và thân
nhiệt có thể duy trì đƣợc ở múc ổn định là nhờ sự cân bằng của 2 quá trình
ngƣợc chiều nhau: sinh nhiệt và thải nhiệt.
Với mô hình mạng trao đổi chất nhƣ hình 1.4 ta có các phƣơng trình vi
phân tại mỗi đỉnh (chất nền) A, B, C tƣơng ứng nhƣ sau:
3432
241
1321
bvvv
dt
dC
bvv
dt
dB
bvvv
dt
dA
(1.2)
Kết hợp các phƣơng trình vi phân trên ta có hệ phƣơng trình biểu diễn nhƣ
dƣới đây:
20
3
2
1
4
3
2
1
1001110
0101001
0010111
b
b
b
b
b
v
v
v
v
(1.6)
Khi ta kết hợp với các điều kiện ràng buộc của các giá trị dòng ta có hệ
phƣơng trình tuyến tính biểu diễn cho một mạng trao đổi chất nhƣ sau:
21
0
low high
Sv
v v v
(1.7)
1.3.4. Các ràng buộc đối với giá trị dòng
Ràng buộc với các dòng bên trong:
i 0,
i
v
thuật đã đƣợc tìm ra để giải bài toán này. Trong lịch sử, nhiều ý tƣởng từ quy
hoạch tuyến tính đã làm nảy sinh các khái niệm của lý thuyết tối ƣu nhƣ tính đối
ngẫu, phân rã và đặc biệt là tính lồi. Tƣơng tự, quy hoạch tuyến tính cũng đƣợc
ứng dụng rộng rãi trong kinh tế vi mô và quản trị kinh doanh và bây giờ là trong
tin sinh học.
Dạng chuẩn là dạng thông thƣờng và trực quan nhất. Nó bao gồm 3 phần
sau:
Một hàm tuyến tính cần cực đại
Ví dụ
2211
xcxc
Các điều kiện ràng buộc
Ví dụ
1212111
bxaxa
2222121
bxaxa
3232131
bxaxa
Các biến là không âm
Ví dụ
0
1
x
0
xcQxf 'x'
2
1
(x)
Copyright: Tài liệu đại học ©