Reconstrucción y análisis de modelos metabólicos a escala genómicaaplicación al estudio de bacterias endosimbiontes

Resumen

La reconstrucción metabólica es el proceso computacional que busca elucidar la red metabólica de un organismo a partir de su genoma anotado. El objetivo final de una reconstrucción es desarrollar un modelo metabólico a escala genómica (GEMM), i.e. una representación in-silico de la red metabólica. Un GEMM se puede utilizar para simular el funcionamiento del sistema a empleando el modelado basado en restricciones (CBM). En este contexto, el objetivo principal de esta Tesis es abordar los problemas metodológicos de la reconstrucción y refinado de GEMM, con énfasis en su aplicación al estudio de bacterias endosimbiontes. Con este trabajo se busca desarrollar nuevas aproximaciones para detectar y resolver inconsistencias estructurales, empleando como casos de estudio metabolismos de bacterias endosimbiontes. Estos aproximaciones también serán empleadas para analizar la consistencia de bases de datos metabólicas. Finalmente, se abordará el problema de la complementación metabólica en bacterias endosimbiontes. Utilizando el concepto de reacción bloqueada, se introdujo una definición general de metabolito gap, que permite su detección de una manera directa. Además, se introdujo el concepto de grafo de inconsistencias y de módulos inconexos (UM). Los UM pueden ser interpretados como módulos del metabolismo que se encuentran desconectan como consecuencia de inconsistencias. Las aproximaciones se han aplicado con éxito en la revisión y refinado del GEMM de Blattabacterium cuenoti iCG238, endosimbionte de las cucarachas, lo que ha resultado en una nueva versión, denominado iMP240. Empleando los desarrollos metodológicos se realizó un análisis a gran escala empleando un conjunto de datos ya publicado de 130 GEMM. Los resultados mostraron que un gran número de reacciones están bloqueadas en todos los modelos donde están presentes. Para desentrañar la naturaleza de tales inconsistencias, se construyó un metamodelo uniendo los 130 modelos en una sola red. El análisis realizado sobre el metamodelo mostró que las inconsistencias recurrentes, estaban presentes en la base de datos metabólica utilizada durante las reconstrucciones. Los métodos desarrollados fueron utilizados en la reconstrucción de iBSCc, un GEMM del consorcio endosimbionte del áfido de cedro. La simulación utilizando iBSCc reproducen los eventos conocidos de complementación metabólica que dicho consorcio exhibe, y predice un nuevo evento, no descrito previamente. Además, el análisis de la complementación en la ruta del triptófano, mostró que este diseño exhibe un rendimiento cuasi-óptimo, con un conjunto mínimo de genes. Finalmente, el estudio cinético realizado indica que en presencia de inhibición enzimática la complementación metabólica puede emerger como una estrategia óptima para minimizar la enzima total requerida para satisfacer la demanda del producto sintetizado. La definición de metabolito gap, así como su extensión al caso de los pseudo-gaps, combinada con la definición previa de reacción bloqueada, ha permitido introducir el concepto de módulo inconexo así como un método para su cálculo. La reconstrucción y revisado de un metamodelo ha permitido mostrar como el CBM puede ser empleado en la revisión y refinado de bases de datos metabólicas. La reconstrucción metabólica de B. aphidicola BCc y S. symbiotica SCc, endosimbiontes del áfido del cedro, dio como resultado los respectivos modelos metabólicos denominados, iBCc98 y iSCc236. Combinando iBCc98 e iSCc236 se reconstruyó un modelo compartimentado del consorcio. El análisis in-silico realizado sobre la biosíntesis distribuida del triptófano, muestra que la fijación de dicho evento pudo haber sido consecuencia de un proceso selectivo. El análisis cinético de la complementación, muestra que en presencia de inhibición enzimática, la complementación metabólica es la estrategia óptima que minimiza la concentración enzima necesaria para satisfacer la demanda del producto.