ABSTRACT Sammanfattning: Analys av elementära lägen är ett kraftfullt verktyg i begränsningsbaserad modellering av metaboliska nätverk. Under de senaste åren har nya metoder för att beräkna elementära lägen i biokemiska reaktionsnätverk utvecklats. Som en följd av detta har programmet Metatool, som är ett av de första programmen tillägnat detta syfte, återinförts för att kunna använda sig av dessa nya metoder. Metatools prestanda har ökat betydligt och den nya versionen 5.0 kan nu köras inne i GNU oktav- eller Matlab-miljöer för att möjliggöra mer flexibel användning och integration med andra verktyg. Tillgänglighet: Skriptfilerna och de sammanställda delade biblioteken kan laddas ner från Metatools webbplats på http://pinguin.biologie.uni-jena.de/bioinformatik/networks/index.html. Metatool består av skriptfiler (m-filer) för GNU oktav samt Matlab och delade bibliotek. Manusen är licensierade under GNU Public License och användningen av de delade biblioteken är gratis för akademiska användare och teständamål. Kommersiell användning av Metatool kräver ett särskilt kontrakt. Kontakt: kamp@minet.uni-jena.de Elementary modes analys har blivit en viktig metod för studien av metabola nätverk (Schuster et al., 2000 (Schuster et al.,, 2002. Det gör det möjligt att systematiskt räkna upp alla oberoende minimala vägar genom ett nätverk som är stökiometriskt och termodynamiskt genomförbart. Detta har tillämpats på olika biokemiska system med tanke på medicinska och biotekniska tillämpningar (Schweender m.fl., 2004; Carlson och Srienc, 2004; Papin m.fl., 2004). Som indata måste reaktionen stoichiometries och reversibilitet vara kända. Dessutom måste metaboliterna klassificeras antingen externt eller internt. Externa metaboliter antas vara buffrade medan interna metaboliter måste balanseras av produktions- och konsumtionsreaktioner i nätverket. De stökiometriska koefficienterna samlas in i en matris N, där rader motsvarar interna metaboliter och kolumner till reaktioner. Observera att reaktionens reversibilitet inte är integrerad i matrisen N, utan beaktas senare. Elementära lägen är fluxfördelningar av det metaboliska nätverket i stabilt tillstånd (uttryckt med ekvation N·v 1⁄4 0) med flödena genom irreversibla reaktioner som går i rätt riktning. Dessutom måste elementära lägen vara oberoende av varandra, vilket innebär att reaktionerna i varje elementärt läge inte får vara en delmängd av reaktionerna i något annat läge. I de tidigare versionerna av Metatool, den algoritm som beskrivs i Schuster et al. (2000) användes för att beräkna elementära lägen. Den nuvarande versionen är däremot baserad på den algoritm som Urbanczik och Wagner (2005) föreslagit, vilket empiriskt visar en högre prestanda. Båda algoritmerna kan ses som varianter av dubbelbeskrivningsmetoden för att räkna upp alla extrema strålar av en polyhedral kon (Gagneur och Klamt, 2004). Dessutom liknar de metoder som föreslås i teorin om Petri nät (Colom och Silva, 1991). Det nuvarande genomförandet (version 5.0) skiljer sig från beskrivningen av Urbanczik och Wagner (2005) genom att testet av kandidatlägen för deras ömsesidiga oberoende nu utförs med ett algebraiskt test. De tidigare versionerna av Metatool var fristående program sammanställda från C/C++ källkod med enkel textinmatning och utgång. Detta har nackdelen att det är svårt för användaren att göra ändringar i beräkningsförfarandet eftersom detta skulle kräva avancerade programmeringskunskaper. En annan nackdel är det besvärliga utbytet av indata och utdata via textfiler med andra program, till exempel för efterbehandling av resultaten. Därför är Metatool nu inbäddat i matematikmiljöerna GNU oktav och Matlab. Den består av skriptfiler som är kompatibla med både program och delade bibliotek som är specifikt sammanställda för varje program och operativsystem. För att förstå och ändra dessa skript krävs endast grundläggande programmeringskunskap. De delade biblioteken är byggda från C++-källor som har skrivits om helt för detta ändamål. Som indata kan Metatool fortfarande läsa standardindatafiler som används av tidigare versioner. Dessutom kan en stökiometriska matris och en vektor som anger reaktionens reversibilitet användas direkt som ingångar. Eftersom Metatool nu är inbäddat i en matematikmiljö returneras resultaten som en datastruktur som kan behandlas med standardkommandon i dessa miljöer. Dessutom kan resultaten analyseras med egna skript. Således är det t.ex. lätt att beräkna avkastningen av elementära lägen med avseende på angivna substrat/produktpar. Användningen av Metatool och formatet för in- och utdatastrukturer beskrivs mer i detalj på Metatools webbsidor. Med hjälp av Matlab kompilatorn kan en fristående version av Metatool skapas. Ett sådant program kommer att kräva några ytterligare Matlab bibliotek som kan distribueras fritt så att det inte är nödvändigt att ha en Matlab installation för att använda den. Som standard läser detta program en standard Metatool indatafil och producerar en utdatafil i ett format som liknar de tidigare versionerna. Alternativt kan tolken för Metatool användas separat. En av de tidigare versionerna av Metatool har inbäddats i System Biology Workbench (Sauro et al., 2003). Det nya SBW-Matlab-gränssnittet (Wellock et al., 2005) öppnar upp möjligheten att enkelt integrera den aktuella versionen av Metatool i SBW.
Detta gäller t.ex. verktygen METATOOL REF och COPASI [15].
Metatool 5.0: fast and flexible elementary modes analysis
{'venue': 'BIOINFORMATICS', 'journal': None, 'mag_field_of_study': ['Computer Science', 'Medicine']}