Escher-FBA : une application web pour l’analyse interactive du bilan des flux

Afin de démontrer l’utilisation d’Escher-FBA pour des applications réelles, nous présentons quatre exemples clés de FBA qui peuvent être exécutés directement dans le navigateur. Ils sont adaptés d’une revue de FBA et de ses applications . Ces exemples reposent sur le modèle de base par défaut d’E. coli, ils sont donc prêts à être mis en œuvre dès l’ouverture de la page Web de Escher-FBA. Veillez à cliquer sur le bouton Réinitialiser la carte entre chaque exemple. Si vous avez des difficultés à trouver une réaction, cliquez simplement sur l’option Rechercher du menu Affichage (ou sur la touche « f » de votre clavier) pour ouvrir une barre de recherche.

FBA avec des substrats de carbone alternatifs

Le premier exemple démontre l’utilisation de FBA pour prédire si la croissance peut se produire sur des substrats de carbone alternatifs. Le modèle de base par défaut d’E. coli comprend un milieu minimal simulé avec du D-glucose comme source de carbone. Ici, nous allons changer la source de carbone du D-glucose au succinate. Tout d’abord, placez la souris sur la réaction d’échange de succinate EX_succ_e, et modifiez la limite inférieure à – 10 mmol/gDW/h, soit en faisant glisser le curseur, soit en saisissant – 10 dans le champ Limite inférieure. Ensuite, passez la souris sur la réaction d’échange de D-glucose EX_glc_e, et augmentez la limite inférieure à 0 ou cliquez sur le bouton Knockout. L’objectif par défaut étant toujours de maximiser la croissance, ces deux modifications demanderont au programme de calculer le taux de croissance maximal en utilisant le succinate comme source de carbone au lieu du D-glucose. Vous devriez voir que le taux de croissance maximum prédit diminue de 0,874 h- 1 à 0,398 h- 1, reflétant le rendement de croissance plus faible d’E. coli sur le succinate (Fig. 2a). C’est l’approche générale pour effectuer des changements dans Escher-FBA ; passez la souris sur la réaction, effectuez les changements requis, et Escher-FBA affichera automatiquement vos résultats. Les valeurs de limite inférieure pour l’échange de sources de carbone représentent des mesures expérimentales, vous pouvez donc essayer d’ajuster la valeur de limite inférieure spécifique à des valeurs réalistes pour la croissance sur d’autres sources de carbone.

Exemples de simulations Escher-FBA. (a) Croissance simulée avec du succinate comme seule source de carbone. (b) Croissance anaérobie simulée sur un milieu minimal de glucose. (c) Maximisation du rendement en ATP dans le modèle par défaut. (d) Croissance du modèle iMM904 de S. cerevisiae. Notez que la largeur des flèches a été augmentée dans le menu des paramètres pour rendre les changements plus évidents

FBA pendant la croissance anaérobie

La croissance anaérobie peut être simulée de la même manière en faisant glisser la souris sur la réaction EX_o2_e et en cliquant sur Knockout ou en changeant la limite inférieure à 0. Si vous modifiez l’échange d’oxygène à zéro alors que le succinate est toujours la seule source de carbone, l’indicateur Flux à travers l’objectif affiche « Infeasible solution/Dead cell », ce qui signifie que la croissance n’est pas possible. Essayez de cliquer sur le bouton Reset dans le coin inférieur droit pour simuler un milieu minimal avec du D-glucose comme source de carbone, puis assommez EX_o2_e, et le taux de croissance prédit devrait être de 0,211 h- 1 (Fig. 2b).

FBA avec des objectifs composés

Escher-FBA prend en charge la définition de plusieurs objectifs dans le mode Objectifs composés. Dans le modèle par défaut, la définition d’un nouvel objectif désactive toujours l’objectif précédent. Pour activer le mode, cliquez d’abord sur le bouton Objectifs composés en bas de l’écran. Exemple d’utilisation du mode : pour vérifier le taux de croissance maximal tout en minimisant le flux à travers SUCDi, commencez avec l’objectif par défaut de maximisation de la production de biomasse. Ensuite, passez la souris sur l’étiquette de la réaction pour SUCDi et cliquez sur le bouton Minimiser dans l’infobulle. En bas à droite, vous devriez voir les deux objectifs listés. Notez que seuls les coefficients d’objectif de 1 ou – 1 (représentés par Maximiser et Minimiser) sont actuellement pris en charge. Pour revenir à des objectifs uniques, il suffit de cliquer à nouveau sur le bouton Objectifs du composé.

Analyse des rendements métaboliques

Nous pouvons également utiliser Escher-FBA pour déterminer les rendements maximaux des précurseurs et des cofacteurs tels que l’ATP. Tout ce qui est nécessaire est une réaction équilibrée stœchiométriquement qui consomme le cofacteur d’intérêt. La réaction de maintien de l’ATP (ATPM) est un tel exemple. Afin de déterminer la production maximale d’ATP, il suffit de placer la souris sur la réaction ATPM et de cliquer sur le bouton Maximiser. La configuration de l’objectif de cette façon fonctionne parce que, pour que le système maximise le flux par la réaction ATPM, il doit d’abord produire de l’ATP dans la plus grande quantité possible. Lorsque l’ATPM est maximisé dans le modèle de métabolisme central par défaut d’E. coli, la valeur de l’objectif est de 175 mmol/gDW/hr. (Fig. 2c). Avec le succinate comme source de carbone, cette valeur diminue à 82,5 mmol/gDW/hr. Cette même procédure peut être suivie pour n’importe quel métabolite d’intérêt en créant une réaction de consommation équilibrée stœchiométriquement et en configurant le modèle pour maximiser le flux à travers cette réaction. Notez qu’il n’est pas actuellement possible de créer une telle réaction automatiquement dans Escher-FBA, mais cela peut être ajouté à une version future.

Analyse de la variabilité du flux

L’analyse des solutions optimales alternatives dans le métabolisme est une autre application utile de FBA . Comme les solutions produites par FBA sont souvent non uniques, il peut être utile de connaître la gamme de valeurs de flux qu’une réaction particulière peut avoir. L’analyse de variabilité des flux (FVA) est souvent utilisée pour calculer ces plages sur l’ensemble du réseau. Escher-FBA ne supporte pas directement les calculs FVA, mais il est possible de les calculer pour une réaction donnée. Pour ce faire, passez d’abord la souris sur la fonction objective (la réaction de biomasse Biomass_Ecoli_core_w_GAM) et définissez les limites supérieure et inférieure à une valeur légèrement inférieure à celle du flux actuel (dans la carte par défaut, essayez 0,870). Ensuite, passez la souris sur une réaction d’intérêt et cliquez sur les boutons Maximiser et Minimiser pour voir le flux maximum et minimum à travers cette réaction étant donné le taux de croissance optimal. Par exemple, en maximisant et en minimisant le flux à travers la GAPD dans la glycolyse, on obtient une plage de flux réalisable de 15,44-16,68 mmol/gDW/h, ce qui indique que le flux glycolytique est fortement limité à des taux de croissance élevés. D’autre part, en maximisant et en minimisant le flux à travers le MALS dans le shunt du glyoxylate, on obtient une gamme de flux réalisable de 0 à 2,64 mmol/gDW/h, ce qui indique que le shunt du glyoxylate peut être activé ou inactif à des taux de croissance élevés. Cette procédure peut être effectuée avec n’importe quel ensemble de réactions et l’utilisateur peut contraindre son système à un nombre quelconque de valeurs de flux pour voir la gamme de solutions disponibles pour une réaction particulière.

Utilisation d’autres modèles à l’échelle du génome

Le modèle central par défaut d’E. coli n’est pas le seul système qui peut être simulé. Par exemple, si l’on souhaite effectuer des simulations sur une cellule de levure, un modèle et une carte pour Saccharomyces cerevisiae peuvent être téléchargés sur http://bigg.ucsd.edu/models/iMM904. Sur cette page, cliquez sur le bouton de téléchargement du modèle (iMM904.json) et de la carte (iMM904.Central carbon metabolism.json). Chargez-les dans Escher-FBA en cliquant sur Load Map JSON dans le menu Map et Load Model JSON dans le menu Model pour charger les deux fichiers JSON. Une fois chargée, la carte est prête à être éditée et simulée avec n’importe quel outil de Escher ou Escher-FBA (Fig. 2d). Avec un modèle plus grand comme iMM904, toutes les réactions ne seront pas visibles en même temps, mais vous pouvez ajouter une réaction à la visualisation. Tout d’abord, cliquez sur l’icône de la clé à molette dans la barre latérale ou sélectionnez Ajouter un mode de réaction dans le menu Edition. Maintenant, les réactions peuvent être ajoutées en cliquant n’importe où sur la carte et en sélectionnant la réaction souhaitée dans le menu déroulant. Le champ de saisie de texte peut être utilisé pour rechercher une réaction d’intérêt.

Application d’Escher-FBA à la conception d’usine cellulaire microbienne

Pour fournir un exemple d’une hypothèse de recherche qui peut être testée en utilisant Escher-FBA, nous avons chargé des modèles d’E. coli à l’échelle du génome contenant deux voies de production de 1-propanol pour la production chimique. Ces voies ont été récemment analysées dans le cadre d’une étude sur le pouvoir prédictif des modèles à l’échelle du génome pour la simulation de souches réelles d’usines cellulaires microbiennes. Le premier modèle comprend une seule voie de production de 1-propanol (fichier supplémentaire 1), signalée pour la première fois par Atsumi et al. Le second modèle comprend deux voies synergiques pour la production de 1-propanol (fichier additionnel 2) rapportées pour la première fois par Shen et Liao . Chaque modèle peut être chargé séparément (avec le bouton de menu Model > Load COBRA model JSON), et une seule carte du métabolisme central est fournie qui est compatible avec les deux modèles (fichier supplémentaire 3, peut être chargé avec Map > Load Map JSON).

Nous étions curieux de savoir si l’approche synergique de la production de 1-propanol – qui est connu pour avoir un rendement de production plus élevé – a également une différence dans l’utilisation des voies requises. Nous avons donc chargé chaque modèle individuellement, maximisé l’excrétion de 1-propanol (en survolant EX_1poh_e et en cliquant sur Maximiser), fixé la limite inférieure de l’excrétion à 99 % du maximum, puis minimisé le flux à travers la première étape engagée de la voie des pentoses phosphates, la glucose 6-phosphate déshydrogénase (G6PDH2r). Les cartes résultantes démontrent que les voies synergiques pour la production de 1-propanol sont équilibrées stoechiométriquement avec la glycolyse, et qu’elles ne nécessitent donc pas d’activité PPP (Fig. 3b). En revanche, la voie individuelle nécessite un flux important de PPP (Fig. 3a). D’autres utilisations des voies, comme le flux de TCA nécessaire pour chaque cas, peuvent également être explorées sur ces cartes.

Utilisation des voies pour deux voies hétérologues de production de 1-propanol dans E. coli. Le flux de la voie des pentoses phosphates (PPP) nécessaire à chaque voie de production hétérologue peut être comparé en forçant, dans un premier temps, la production de 1-propanol à 99 % de la valeur maximale (en fixant la limite inférieure de la réaction d’échange de 1-propanol) et, dans un second temps, en minimisant le flux par la première étape de la PPP. (a) La voie du 1-propanol rapportée par Atsumi et al. utilise une seule voie pour atteindre la production de 1-propanol. Elle nécessite un flux PPP important et a un rendement global plus faible. (b) La voie rapportée par Shen et Liao utilise deux voies de manière synergique pour obtenir un rendement plus élevé. La voie est stoechiométriquement équilibrée avec la glycolyse, elle ne nécessite donc aucun flux PPP

Bien qu’Escher-FBA puisse déjà être utilisé pour de nombreuses simulations FBA directement dans le navigateur Web, un certain nombre des exemples présentés par Orth et al. ne peuvent actuellement pas être réalisés avec Escher-FBA . Pour l’instant, Escher-FBA ne peut pas exécuter des fonctions telles que l’analyse du knockout des gènes ou l’analyse de la robustesse. Cependant, Escher-FBA utilise des représentations SVG flexibles pour les éléments visuels, de sorte que l’analyse de la robustesse et même des caractéristiques graphiques telles que les plans de phase pourraient être ajoutées. Nous avons établi une feuille de route de développement pour Escher-FBA (disponible sur la page d’accueil https://sbrg.github.io/escher-fba) et un processus de développement itératif pour finalement permettre l’analyse de la biologie des systèmes complexes dans le navigateur web.