MỞ ĐẦU Nghiên cứu mạng trao đổi chất đã thu hút nhiều sự quan tâm trong những năm gần đây [4-10]. Phần lớn nghiên cứu tập trung vào việc xây dựng các mô hình toán học của quá trình trao đổi chất trong tế bào. Ở đây chúng tôi tập trung vào các phƣơng pháp phân tích dòng (flux) sử dụng mô hình dựa trên các ràng buộc và trạng thái ổn định. Mô hình này sử dụng các ràng buộc ở nhiều dạng nhƣ ma trận hệ số cân bằng phƣơng trình hoá học, hệ số cân bằng nhiệt động lực học, công suất dòng, bảo toàn năng lƣợng và một số ràng buộc khác để hạn chế không gian phân phối dòng có thể của mạng trao đổi chất.
Dựa trên giả thuyết trong sinh học về các sinh vật không nhân nhƣ Escherichia coli thƣờng phát triển tối đa trong quá trình tiến hoá, phƣơng pháp Phân tích cân bằng dòng (Flux Balance Analysis - FBA) dự đoán các phân phối dòng trao đổi chất ở trạng thái ổn định bằng phƣơng pháp quy hoạch tuyến tính. Với giả sử hoạt động của mạng đạt trạng thái tối ƣu chúng ta có thể tìm ra một phân phối dòng tối ƣu của mạng. Ngoài ra hiện có rất nhiều điều kiện tối ƣu khác có thể đƣợc áp dụng nhƣ tối ƣu sản xuất một hợp chất nhất định, tối ƣu năng lƣợng sử dụng. Các điều kiện này đều có cùng mục tiêu là để đạt đƣợc ý nghĩa sinh học khi xác định trạng thái trao đổi chất của cơ thể.
FBA là một phƣơng pháp dựa trên ràng buộc cụ thể đã thành công trong việc dự đoán tốc độ phát triển, tốc độ hấp thu và bài tiết của tế bào ở dạng nguyên thuỷ. Tuy nhiên với các dạng đột biến thì phƣơng pháp FBA tỏ ra không hiệu quả và chính xác. Vì vậy một phƣơng pháp khác đƣợc dùng trong trƣờng hợp này là Tối thiểu hoá điều chỉnh trao đổi chất (Minimization Of Metabolic Adjustment – MOMA) – phƣơng pháp này sử dụng quy hoạch bậc hai. Phƣơng pháp MOMA cho thấy ƣu điểm về tính chính xác so với phƣơng pháp FBA trong dự đoán các trƣờng hợp đột biến.
Luận văn đƣa ra và kiểm chứng một giả thuyết mới, đó là trƣờng hợp hai chuỗi gen bị xoá bỏ có thứ tự khác nhau có thể dẫn đến các trạng thái khác nhau của sinh vật nhƣ tiếp tục tồn tại hoặc bị diệt vong. Giả thuyết của chúng tôi có ý nghĩa quan trọng trong sinh học vì từ đó giúp chúng ta thay đổi cách nghĩ truyền thống trong sinh học khi bỏ qua các đặc tính bất đối xứng nảy sinh từ thứ tự của các đột biến. Để kiểm chứng giả thuyết chúng tôi sử dụng mô hình mạng trao đổi chất mới nhất JR904 của vi khuẩn Escherichia coli và các phƣơng pháp FBA, MOMA để tìm kiếm các chuỗi gen có tính không giao hoán nhƣ đã mô tả. LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 8 Chúng tôi đã tìm ra một số chuỗi gen có tính chất trên chứng tỏ giả thuyết đƣa ra là có ý nghĩa và cơ sở khoa học.
Ngoài ra trong quá trình sử dụng FBA, chúng tôi phát hiện một nhƣợc điểm của phƣơng pháp FBA hiện tại là các dòng trao đổi chất có những giá trị quá lớn (cỡ 10.000) – không mang tính sinh học và có thể dẫn đến các kết quả không chính xác khi dùng cho MOMA. Vì vậy luận văn đề xuất một cải tiến cho FBA để tăng cƣờng tính chính xác cũng nhƣ ý nghĩa sinh học của các kết quả dự đoán. Ƣu điểm của phƣơng pháp đề xuất đƣợc kiểm chứng bằng kết quả thực nghiệm trên mô hình mạng trao đổi chất mới nhất JR904 của E. Cuối cùng chúng tôi phát triển một hệ thống phần mềm mã nguồn mở để phục vụ cho quá trình nghiên cứu này.
Hệ thống phân mềm này giúp giải phóng các nhà sinh học khỏi những tính toán phức tạp để tập trung vào vấn đề thực sự cần quan tâm, nghiên cứu. Các kết quả nghiên cứu đƣợc công bố trong hai báo cáo khoa học ở Hội nghị quốc tế PRICAI 2008 và Hội thảo quốc gia CNTT, Huế 2008 (xem [3], [1]). Ngoài phần kết luận, luận văn đƣợc trình bày nhƣ sau : Chƣơng 1 : Quá trình trao đổi chất và mạng trao đổi chất Giới thiệu quá trình chuyển hoá chất của sinh vật và mạng trao đổi chất - một mô hình toán học để nghiên cứu quá trình trao đổi chất. Chƣơng 2 : Cơ sở toán học Giới thiệu về quy hoạch tuyến tính và quy hoạch bậc hai, cơ sở toán học chính cho các phƣơng pháp FBA, MOMA.
Chƣơng 3 : Mạng trao đổi chất của E. coli Trong chƣơng này , chúng tôi giới thiê ̣u về mạng trao đổi chất của vi khuẩn E. coli, phƣơng pháp xây dựng mạng từ các dữ liệu thực nghiệm. Chƣơng 4 : Các phƣơng pháp phân tích mạng trao đổi chất Chƣơng này giới thiệu mô hình toán học của các phƣơng pháp FBA, MOMA, ROOM.
Chƣơng 5 : Bài toán cụ thể và phƣơng pháp tiếp cận LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 9 Trong chƣơng này, chúng tôi trình bày cụ thể bài toán, các vấn đề phát sinh trong quá trình thực hiện cũng nhƣ đề xuất các cải tiến để giải quyết các vấn đề đó. Chƣơng 6 : Kết quả và đánh giá Chƣơng này trình bày và đánh giá các kết quả đạt đƣợc. LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 10 CHƢƠNG 1 - QUÁ TRÌNH TRAO ĐỔI CHẤT VÀ MẠNG TRAO ĐỔI CHẤT 1. Giới thiệu Mạng sinh học đang thu hút đƣợc nhiều sự quan tâm của các nhà khoa học trong và ngoài nƣớc hiện nay [4-10].
Mạng sinh học thể hiện sự điều hoà và tƣơng tác vật lý giữa các gen và protein, từ đó nó cho phép phân tích hoạt động của mạng với đầu vào môi trƣờng cho trƣớc. Hiểu một cách đơn giản thì mạng sinh học bao gồm các bộ phận sinh học kết nối có thứ bậc với nhau, các bộ phận này gọi là thành phần Cis-Regulatory (CRE) – thành phần điều hoà cùng phía. Các CRE là thành phần điều khiển logic gắn kết với bộ gen và điều khiển hầu nhƣ toàn bộ mọi quá trình sinh học chủ yếu qua các protein, cùng với các chất trao đổi, chúng tạo nên một mạng liên kết phức tạp tự điều khiển để duy trì trạng thái cân bằng nội môi (homeostasis) của tế bào. Mỗi CRE đƣợc cấu thành từ một hay nhiều chuỗi DNA motifs (thành phần phiên mã gắn kết vị trí thƣờng nằm ở phần đầu gen), chúng hoạt động nhƣ một thành phần uỷ nhiệm để nhận các tín hiệu điều hoà bằng cách gắn kết với các tín hiệu phân tử và thành phần phiên mã.
Mỗi mức hoạt động của motif cùng với sự điều khiển kết hợp tự nhiên giữa chúng xác định khả năng kích hoạt của một gen. Từ đó chúng ta cần tìm các motif và các hoạt động cơ bản phụ thuộc ngữ cảnh của chúng để xây dựng mạng sinh học mức độ gen, từ đó giúp chúng ta hiểu “Bộ gen mã hoá các đặc tính của cơ thể nhƣ thế nào”. Ngoài ra, nhƣ chúng ta đã biết, protein còn là sản phẩm của gen và cùng với hoạt động của các CRE, chúng có trách nhiệm với hầu hết các chức năng sinh học trong cơ thể sinh vật. Trong đó chức năng đáng kể nhất là sản sinh năng lƣợng của tế bào, ở đó chúng chuyển các chất từ dạng này sang dạng khác để sinh ra hoặc hấp thu năng lƣợng.
Nghiên cứu các hệ protein và chất trao đổi, làm rõ các trạng thái tƣơng ứng của chúng cũng nhƣ trạng thái thể hiện của một cơ thể khi đáp ứng với một tín hiệu của môi trƣờng giúp chúng ta hiểu rõ cơ chế chủ yếu của sinh học. Do đó để hiểu rõ cơ chế mã hoá gen cũng nhƣ cơ chế phản ứng với điều kiện môi trƣờng, chúng ta cần hiểu các đặc tính của quá trình điều hoà gen và khả năng của hệ protein, hệ trao đổi chất cũng nhƣ mối liên quan phức tạp giữa chúng để xây dựng đƣợc một nền tảng về các hoạt động của tế bào. Do sự quan trọng nhƣ vậy, chúng ta cần nghiên cứu thống nhất tập trung với ba mục tiêu: lý giải quá trình điều hoà gen, phân tích các trạng thái của hệ protein và tìm ra các LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 11 nguyên lý hoạt động mới của quá trình trao đổi trong các hệ sinh học. Mục tiêu là làm sáng tỏ các nguyên tắc cơ bản của tế bào hay nói cách khác là ngôn ngữ của các chức năng sinh học.
Luận văn thạc sĩ này tập trung vào một trong ba mục tiêu trên là mạng trao đổi chất và các phƣơng pháp phân tích chúng. Nghiên cứu mạng trao đổi chất đã thu hút nhiều sự quan tâm những năm gần đây. Phần lớn nghiên cứu tập trung vào việc xây dựng các mô hình toán học của quá trình trao đổi chất tế bào. Ở đây chúng tôi tập trung vào phân tích dòng (flux) sử dụng mô hình dựa trên ràng buộc trạng thái ổn định.
Trong mô hình này sử dụng các ràng buộc ma trận hệ số cân bằng, nhiệt động lực học, công suất dòng, bảo toàn năng lƣợng và các ràng buộc khác để hạn chế không gian phân phối dòng có thể đạt tới của mạng trao đổi chất. Với giả sử hoạt động tối ƣu của mạng, rất nhiều điều kiện tối ƣu nhƣ phát triển cực đại, năng lƣợng cực đại đƣợc áp dụng, với mục tiêu đạt đƣợc ý nghĩa sinh học trạng thái trao đổi chất của cơ thể. FBA là một phƣơng pháp dựa trên ràng buộc cụ thể đã thành công trong việc dự đoán tốc độ phát triển, tốc độ hấp thu và bài tiết của sinh vật. Quá trình trao đổi chất Để có thể thu nhận đƣợc các chất dinh dƣỡng có nguồn gốc tự nhiên từ môi trƣờng bên ngoài, cơ thể phải trải qua một quá trình biến đổi sinh lý - sinh hóa phức tạp với sự tham gia của nhiều cơ quan chức năng khác nhau và xảy ra theo một trình tự nhất định đƣợc chia thành các phần tƣơng đối độc lập bao gồm: Sự tiêu hóa thức ăn, Trao đổi chất, Chuyển hóa năng lƣợng, Trao đổi nhiệt và Bài tiết, tất cả đều chịu sự điều khiển của hệ thần kinh và các tuyến nội tiết có sự tham gia của các enzyme sinh học.
Các chất dinh dƣỡng sau khi đƣợc tiêu hóa sẽ đi vào máu trong cơ thể, trải qua quá trình chuyển hóa phức tạp, tổng hợp nên các cấu trúc của tế bào, cung cấp năng lƣợng cho tế bào thực hiện hoạt động sống. Sự trao đổi chất, về bản chất, là một chuỗi các phản ứng sinh hóa phức tạp.