BIOKIN: пакет программ для моделирования и исследований метаболизма
В ИМГ РАН был создан пакет программ BIOKIN - для теоретического анализа свойств и различных аспектов поведения полиферментных биохимических систем и построения и анализа метаболических моделей. Исследуемая полиферментная система (ПФС) задается списком биохимических реакций, которые могут в ней происходить, и граничными условиями материального обмена со средой. Для pяда задач тpебуется дополнительно задать значения кинетических констант pеакций ПФС и удельных активностей феpментов. Пакет программ позволяет проводить исследование систем, включающих до 1000 реакций. Присоединенная библиотека содержит базу данных по ферментативным реакциям и может быть использована при постановке исследовательской задачи. База данных библиотеки содержит в настоящее время элементарные сведения примерно о 400 основных биохимических реакциях и может постоянно пополняться или изменяться в процессе работы исследователя с пакетом в соответствии с кругом его научных интересов. Предусмотрено использование создание текущей библиотеки для хранения результатов проводимых исследований и их последующего просмотра и анализа. Пакет программ работает в интерактивном режиме и позволяет решать следующие задачи:
1. Получить картину распределения метаболических потоков в исследуемой ПФС при достижении стационарного состояния, заданного граничными условиями материального обмена ПФС со средой ( Дроздов-Тихомиров и др.,1986 ); Дроздов-Тихмиров и др., 1994 ). Задача решается для ПФС любой размерности. Это может быть, например, ПФС всего первичного метаболизма клетки. Имеющаяся в настоящее время база данных позволяет моделировать стационарные потоки по первичному метаболизму в клетках E.coli, B. Subtilis, в соматической клетке человека. Должен быть задан список реакций, протекание которых возможно в ПФС, и граничные условия материального обмена ПФС со средой. Результаты расчета могут быть выданы в виде таблиц, а также в графическом формате в виде метаболической карты с нанесенными на схему величинами скоростей процессов. Результаты или их часть по желанию исследователя могут быть сохранены в библитеке.
2. Расчет величины минимально возможного удельного потребления углеродного субстрата на образование продукта в исследуемой ПФС (расчет максимального экономического коэффициента). Продуктом может быть, в частности, биомасса клетки, если исследуется ПФС первичного метаболизма. Задача решается для ПФС любой размерности (до 1000). Должны быть заданы список реакций ПФС и граничные условия материального обмена со средой.
3. Получить картину изменения концентраций метаболитов в ПФС с ходом времени от некоторого момента, для которого задано начальное состояние ПФС (концентрации метаболитов и ферментов) и граничные условия обмена со средой, до другого заданного момента времени или до установления стационара. Задача эффективно решается для ПФС включающих не более 60-ти реакций (при большем числе реакций заметно возрастает время решения задачи) ( Дроздов-Тихомиров и др, 1994 ). Должны быть заданы - список реакций, величины кинетических констант для каждой реакции, количества каждого фермента и их удельные активности. При решениии задачи используется универсальная модель регуляции активности фермента, предложенная Л.Н.Дроздовым-Тихомировым , Г.И. Скурида и А.А.Александровым ( Drozdov-Tikhomirov et al, 1999 ). Результаты расчета могут быть выданы в виде таблиц и в виде графиков и при желании могут быть сохранены в библиотеке.
4. Рассчитать оптимальное соотношение количеств разных ферментов в ПФС, при котором удельная скорость образования продукта (скорость отнесенная к суммарному количеству ферментов в ПФС) максимальна (оптимальная структура ПФС ( Дроздов-Тихомиров & Дороднов, 1991 ) ). Задача решается для ПФС размерности более 60. Должны быть заданы - список реакций, величины их кинетических констант, удельные активности ферментов и опорный вектор стационарных потоков ПФС в режиме синтеза продукта. Оптимальная структура ПФС размерности большей 60 находится путем разбиения ПФС на фрагменты с числом реакций меньше 60 и нахождения оптимальной структуры каждого из фрагментов с использованием опорного вектора исследуемой ПФС. Результаты расчета представляются в виде таблицы количеств ферментов в исследуемой ПФС при оптимальной структуре ( Дроздов-Тихомиров и др., 1994 ).
5.Построить картину распределения по метаболитам ПФС с ходом времени изотопной метки, поступающей в составе одного из субстратов в исследуемую ПФС. Задача решается для ПФС произвольной размерности (более 1000). Должны быть заданы - список реакций исследуемой ПФС, граничные условия материального обмена со средой, меченный субстрат, матрица переходов метки в реакциях ПФС и стационарные концентрации метаболитов, в которых контролируется появление метки. Результаты представляются в виде таблиц или в графическом формате, в частности, в виде метаболической карты с нанесенным распределением метки по метаболитам.
