Базы данных по метаболическим системам
Сложность биологических систем огромна, она такова, что рассмотрение и решение формализованных задач управляемого метаболизма клетки, также как и задач геномики, практически невозможно без использования математических методов и современной компьютерной техники. Анализ и выявление интегральных закономерностей обмена веществ и регуляции сетей метаболических потоков в клетках можно проводить только на основе использования достаточно больших объемов накопленных данных о метаболитах, реакциях их взаимопревращений, ферментах, катализирующих эти реакции, и данных о механизмах регуляции активности ферментов, соответствующим образом формализованных. В настоящее время создание и развитие таких баз данных по метаболизму и ферментам и разработка методов компьютерного анализа хранящихся в них данных интенсивно осуществляется в ряде стран за рубежом и в нашей стране. Цель создания этих баз данных - обеспечить возможность представления и анализа сложных переплетений физического и функционального взаимодействий между различными клеточными компонентами с использованием мощных современных компьютерных систем. В Японии в Университете Киото создана база такого рода LIGAND , [http://www.genom.ad.jp/molecules/ligand/], включавшая к началу 2001 года 3390 ферментов, 5645 соединений и 5207 реакций по данным, полученным для широкого круга организмов, как прокариотов так и эукариотов ( Goto et al, 2000 ). В Соединенных Штатах имеется несколько аналогичных баз данных: В Университете Миннесоты создана база данных по микробным биокаталитическим реакциям и путям биодеградации преимущественно для ксенобиотиков UM-BBD [http://umbbd.ahc.umn.edu/index.html], включающая 449 ферментов, 655 соединений (в основном ксенобиотики), 727 реакций ( Ellis et al, 2001 ). В Лаборатории морской биологии в Вудс Хоуле создана база данных EcoCyc [http://ecocyc.PangeaSystems.com/ecocyc/], содержащая данные по геному и генным продуктам E.coli, ее метаболическим путям и путям передачи сигналов, описывающая 4391 ген E.coli, 695 ферментов, кодируемых подгруппой этих генов, 904 метаболических реакции, происходящих в E.coli и организация этих реакций в 129 метаболических путей ( Ouzounis & Karp, 2000 ). В компании Интегрейтид геномикс инкорпорайшн (Чикаго) разработана система WIT (What is There) [http://wit.mcs.anl.gov/WIT2/], предназначенная для осуществления сравнительного анализа нуклеотидных последовательностей геномов и проведения "реконструкции" метаболизма по хромосомным последовательностям с использованием семества баз данных EMP [http://www.biobase.com/EMP] и MPW [http://biobase.com/emphome.html/homepage] ( Overbeek et al, 2000 ) . Эта система содержит в настоящее время данные по полностью или почти полностью расшифрованным геномам 40 организмов . Данные по гомологии последовательностей, относительным положениям генов на хромосоме и размещению ряда генных продуктов (ферментов) на метаболических путях могут быть использованы для предсказания функций ранее неидентифицированных генов и, в конечном счете, сравнения сетей метаболических потоков, поддерживаемых разными геномами. База данных MPW (Metabolic Pathways ) является производной от EMP ( Enzymes and Metabolic Pathways). Обе базы созданы в результате совместной работы Интегрейтид геномик инкорпорейшн (Чикаго, США) и Института теоретической и экспериментальной биофизики РАН (Пущино, Россия) ( Selkov et al, 1996 ). В Европейском Институте биоинформатики - EBI (Хинкстон, Кембридж , Великобритания) начата работа по созданию большой базы данных по метаболическим путям и их регуляции aMAZE [http://www.ebi.ac.uk/reaserch/pfbp/] . Пакет программ операционной системы базы по замыслу разработчиков должен, на основе данных включенных в базу, ":обеспечить проведение анализа, вскрывающего функции генов и связь между геномом и метаболизмом, определяющую процесс существования и воспроизведения живой клетки"( van Helden et al, 2000 ). В настоящее время в базе данных aMAZE собрано небольшое количество данных по метаболизму в клетках человека (биосинтез холестерола), в клетках E.coli (биосинтез аминокислот) и Saccharamyces cerevisiae ( утилизация фосфата ). Большой объем данных по ферментам и метаболическим путям собран и представлен в базе знаний по биологии человека HUMBIO [http://obio.img.ras.ru], созданной в нашем институте в отделе биоинформатики ( Александров и др., 1999 ). В базе HUMBIO отражено современное состояние знаний о системе первичного метаболизма в клетках человека. В базе на сегодняшний день имеются данные о 2967 ферментах, 5183 соединениях, 397 реакциях, включенных в первичный метаболизм клеток человека. Данные о метаболических путях первичного метаболизма представлены графически метаболической картой, разбитой на 27 фрагментов. Карта представляет собой гипертекст, все содержательные элементы которого (соединения, реакции, ферменты) обеспечены текстовыми комментариями.
