NIBBS-Search for Fast and Accurate Prediction of Phenotype-Biased Metabolic Systems

Understanding of genotype-phenotype associations is important not only for furthering our knowledge on internal cellular processes, but also essential for providing the foundation necessary for genetic engineering of microorganisms for industrial use (e.g., production of bioenergy or biofuels). However, genotype-phenotype associations alone do not provide enough information to alter an organism's genome to either suppress or exhibit a phenotype. It is important to look at the phenotype-related genes in the context of the genome-scale network to understand how the genes interact with other genes in the organism. Identification of metabolic subsystems involved in the expression of the phenotype is one way of placing the phenotype-related genes in the context of the entire network. A metabolic system refers to a metabolic network subgraph; nodes are compounds and edges labels are the enzymes that catalyze the reaction. The metabolic subsystem could be part of a single metabolic pathway or span parts of multiple pathways. Arguably, comparative genome-scale metabolic network analysis is a promising strategy to identify these phenotype-related metabolic subsystems. Network Instance-Based Biased Subgraph Search (NIBBS) is a graph-theoretic method for genome-scale metabolic network comparative analysis that can identify metabolic systems that are statistically biased toward phenotype-expressing organismal networks. We set up experiments with target phenotypes like hydrogen production, TCA expression, and acid-tolerance. We show via extensive literature search that some of the resulting metabolic subsystems are indeed phenotype-related and formulate hypotheses for other systems in terms of their role in phenotype expression. NIBBS is also orders of magnitude faster than MULE, one of the most efficient maximal frequent subgraph mining algorithms that could be adjusted for this problem. Also, the set of phenotype-biased metabolic systems output by NIBBS comes very close to the set of phenotype-biased subgraphs output by an exact maximally-biased subgraph enumeration algorithm ( MBS-Enum ). The code (NIBBS and the module to visualize the identified subsystems) is available at http://freescience.org/cs/NIBBS

Zur Messung von Atom-und Radikalkonzentrationen in der Gasphase mit Hilfe der Elektronenspinresonanz

Fast alle chemischen Reaktionen in der Gasphase gehen mit der Bildung freier Atome oder Molekülfragmente (freier Radikale) einher. Ein klassisches Beispiel ist die Bromwasserstoff-Reaktion $H_{2} + Br_{2} + 2 HBr$. Erst in neuester Zeit wurde diese Reaktion in allen Einzelheiten verstanden, weil intermediäre Reaktionsschritte direkt nachgewiesen werden konnten. Für Bildung und Verbrauch des HBr wurde folgendes Reaktionsschema aufgestellt: $Br_{2}$ + M + 2 Br + M // Br + $H_{2}$ + HBr + H (1) // H + $Br_{2}$+ HBr + Br Dabei kann (M) irgend eines der im System vorhandenen Teilchen sein. Die Atomkonzentration in dem System ist im allgemeinensehr niedrig und kann über längere Zeiten als konstant angesehen werden, da sich sehr schnell ein stationäres Gleichgewicht einstellt. Man bezeichnet diesen idealisierten Zustand als "steady state" Näherung. In den Grenzen dieser Näherung ist die Bildungsgeschwindigkeit von HBr ausschließlich eine Funktion der Konzentrationen ($H_{2}$) und ($Br_{2}$). Jede chemische Veränderung im System (1) ist eine Folge chemischer Elementarprozesse. Derartige elementare Reaktionen in der Gasphase sind Gegenstand der vorliegenden Arbeit. In einem Strömungsrohr wurde die Kinetik verschiedener Reaktionen durch den quantitativen Nachweis intermediärer kurzlebiger Atome und Radikale untersucht. Als Nachweismethode diente die Messung der Elektronen-Spin-Resonanzen in einem Mikrowellenresonator. Eine chemische Reaktion setzt sich aus vielen Elementarschritten zusammen. Zur vollständigen Klärung solcher Schritte ist es notwendig, diese Reaktionen direkt zu verfolgen. Mit der ESR-Methode ist es möglich, Radikal-Radikal- und Radikal-Molekül-Reaktionen direkt und auch als getrennte Schritte nachzuweisen. Es gibt auch andere Methoden zur Bestimmung freier Radikale in der Reaktionskinetik, von denen die meisten bei Jennings( 1 ) [...