Modelling Cell Metabolism: A Review on Constraint-Based Steady-State and Kinetic Approaches
Notice bibliographique
Résumé
Studying cell metabolism serves a plethora of objectives such as the enhancement of bioprocess performance, and advancement in the understanding of cell biology, of drug target discovery, and in metabolic therapy. Remarkable successes in these fields emerged from heuristics approaches, for instance, with the introduction of effective strategies for genetic modifications, drug developments and optimization of bioprocess management. However, heuristics approaches have showed significant shortcomings, such as to describe regulation of metabolic pathways and to extrapolate experimental conditions. In the specific case of bioprocess management, such shortcomings limit their capacity to increase product quality, while maintaining desirable productivity and reproducibility levels. For instance, since heuristics approaches are not capable of prediction of the cellular functions under varying experimental conditions, they may lead to sub-optimal processes. Also, such approaches used for bioprocess control often fail in regulating a process under unexpected variations of external conditions. Therefore, methodologies inspired by the systematic mathematical formulation of cell metabolism have been used to address such drawbacks and achieve robust reproducible results. Mathematical modelling approaches are effective for both the characterization of the cell physiology, and the estimation of metabolic pathways utilization, thus allowing to characterize a cell population metabolic behavior. In this article, we present a review on methodology used and promising mathematical modelling approaches, focusing primarily to investigate metabolic events and regulation. Proceeding from a topological representation of the metabolic networks, we first present the metabolic modelling approaches that investigate cell metabolism at steady state, complying to the constraints imposed by mass conservation law and thermodynamics of reactions reversibility. Constraint-based models (CBMs) are reviewed highlighting the set of assumed optimality functions for reaction pathways. We explore models simulating cell growth dynamics, by expanding flux balance models developed at steady state. Then, discussing a change of metabolic modelling paradigm, we describe dynamic kinetic models that are based on the mathematical representation of the mechanistic description of nonlinear enzyme activities. In such approaches metabolic pathway regulations are considered explicitly as a function of the activity of other components of metabolic networks and possibly far from the metabolic steady state. We have also assessed the significance of metabolic model parameterization in kinetic models, summarizing a standard parameter estimation procedure frequently employed in kinetic metabolic modelling literature. Finally, some optimization practices used for the parameter estimation are reviewed.
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Comment cette classification a été obtenuedéplier
Prédiction machine sur la base complète
Imitation des enseignantsNi prévalence calibrée, ni vérité terrain. Validation humaine à venir. Le volet Gemma est une étiquette directe du modèle pour chaque travail de la base, lue sur la notice réduite au titre. Le volet Codex est un classifieur appris des 10 348 étiquettes directes de Codex et calibré sur les taux pondérés de l'échantillon; les champs sans appui suffisant ne portent aucun appel Codex. Le mode candidate est l'union des deux volets; le consensus est leur intersection. Ces sorties portent le statut machine_predicted_unvalidated et ne sont pas des étiquettes humaines.
Scores du classifieur distillé par catégorie (deux têtes)
| Catégorie | Codex | Gemma |
|---|---|---|
| Métarecherche | 0,001 | 0,002 |
| Méta-épidémiologie (sens strict) | 0,003 | 0,001 |
| Méta-épidémiologie (sens large) | 0,002 | 0,003 |
| Bibliométrie | 0,002 | 0,005 |
| Études des sciences et des technologies | 0,000 | 0,001 |
| Communication savante | 0,002 | 0,003 |
| Science ouverte | 0,003 | 0,001 |
| Intégrité de la recherche | 0,002 | 0,002 |
| Charge utile insuffisante (le modèle a refusé de juger) | 0,004 | 0,002 |
Scores machine (provisoires)
Les deux têtes enseignantes du modèle étudiant, lues sur ce travail. Un score ordonne la base pour la relecture; il n'affirme jamais une catégorie, et le statut de validation accompagne chaque rangée tel quel.
Scores de référence d'un modèle non mature (critères de maturité non atteints, 7 itérations). Un score ordonne; il n'affirme jamais une catégorie.
score_only:v0-immature-baseline · tel quel depuis la passe de notation : score_only signifie que le nombre peut ordonner les travaux, et qu'aucune étiquette de catégorie n'en découleClassification
machine, non validéePrédiction automatique; un appel candidat d’une seule source (Gemma direct ou Codex distillé), pas un consensus.
Le détail, modèle par modèle et score par score, se trouve en fin de page sous « Comment cette classification a été obtenue ».