Development and implementation of bioinformatics tools for the reconstruction of GiSMos

Abstract

The reconstruction of Genomic-Scale Metabolic Model (GiSMo)s is an increasingly growing methodology, which allows to develop models that can be used to perform in silico predictions on the phenotypical response of an organism to environmental changes and genetic modifications. These predictions allow focusing in vivo experiments on methodologies that will, theoretically, present better results, thus reducing the high costs on time and money spent in laboratorial experiments. GiSMos are a mathematical representation of the organism’s genome, in the form of metabolic networks. As complex as these can be, because of the large number of compounds involved in many different reactions and pathways, the treatment of all such data is not easily manually performed. Several bioinformatics software were developed with the aims of improving this procedure, by automating many operations in the reconstruction process. Metabolic Models Reconstruction Using Genome-Scale Information (merlin) is one of such tools, following a philosophy that thrives on providing an intuitive and powerful graphical environment, to annotate data on key metabolic components and building a complete genome-scale model. While already encompassing a wide range of tools, it is still a work in development. Upon analyzing its functioning, several improvement opportunities were identified, mainly in existing operations. Moreover, missing important features for the reconstruction of GiSMos were as well identified. This work details the results of this analysis and the improvements performed to enrich merlin’s toolbox.

A reconstrução de modelos metabólicos à escala genómica (GiSMo) é uma metodologia em rápido crescimento, que permite o desenvolvimento de modelos para fazer previsões in silico sobre a resposta fenotípica de um organismo a alterações ambientais e a modificações genéticas. Estas previsões permitem a focagem em experiências in vivo e em metodologias que, em teoria, apresentarão melhores resultados, e portanto reduzir os elevados custos em tempo e dinheiro gastos em experiências laboratoriais. GiSMos são uma representação matemática do genoma de um organismo, em forma de redes metabólicas. Devido à complexidade que estas podem ter, devido ao elevado número de compostos envolvidos em muitas reações em diferentes redes, o tratamento de todos estes dados não é simples de ser feito manualmente. Vários softwares bioinformáticos foram desenvolvidos com o objectivo de melhorar o procedimento, automatizando várias operações do processo de reconstrução. merlin é uma dessa ferramentas, e segue uma filosofia que prospera em providenciar um ambiente gráfico intuitivo e eficaz, para anotar informação de componentes metabólicos chave e construir a partir dela um modelo à escala genómica completo. Apesar de já conter uma grande variedade de ferramentas, ainda está em fase de desenvolvimento. Ao ser analisado o seu funcionamento, foram apontadas várias operações passíveis de ser melhoradas. Também foram indentificadas em falta funcionalidades importantes par a resconstrução de GiSMo. Este trabalho detalha os resultados desta análise e o que foi feito para enriquecer a caixa de ferramentas do merlin.