Tese de doutoramento em Biomedical EngineeringUm modelo metabólico consegue prever o fenótipo de um organismo. No entanto, estes modelos
podem obter previsões incorretas, pois alguns processos metabólicos são controlados por mecanismos
reguladores. Assim, várias metodologias foram desenvolvidas para melhorar os modelos metabólicos
através da integração de redes regulatórias. Todavia, a reconstrução de modelos regulatórios e metabólicos à escala genómica para diversos organismos apresenta diversos desafios.
Neste trabalho, propõe-se o desenvolvimento de diversas ferramentas para a reconstrução e análise
de modelos metabólicos e regulatórios à escala genómica. Em primeiro lugar, descreve-se o Biological
networks constraint-based In Silico Optimization (BioISO), uma nova ferramenta para auxiliar a curação
manual de modelos metabólicos. O BioISO usa um algoritmo de relação recursiva para orientar as previsões de fenótipo. Assim, esta ferramenta pode reduzir o número de artefatos em modelos metabólicos,
diminuindo a possibilidade de obter erros durante a fase de curação.
Na segunda parte deste trabalho, desenvolveu-se um repositório de redes regulatórias para procariontes que permite suportar a sua integração em modelos metabólicos. O Prokaryotic Transcriptional
Regulatory Network Database (ProTReND) inclui diversas ferramentas para extrair e processar informação regulatória de recursos externos. Esta ferramenta contém um sistema de integração de dados que
converte dados dispersos de regulação em redes regulatórias integradas. Além disso, o ProTReND dispõe
de uma aplicação que permite o acesso total aos dados regulatórios.
Finalmente, desenvolveu-se uma ferramenta computacional no MEWpy para simular e analisar modelos regulatórios e metabólicos. Esta ferramenta permite ler um modelo metabólico e/ou rede regulatória,
em diversos formatos. Esta estrutura consegue construir um modelo regulatório e metabólico integrado
usando as interações regulatórias e as ligações entre genes e proteínas codificadas no modelo metabólico e na rede regulatória. Além disso, esta estrutura suporta vários métodos de previsão de fenótipo
implementados especificamente para a análise de modelos regulatórios-metabólicos.Genome-Scale Metabolic (GEM) models can predict the phenotypic behavior of organisms. However,
these models can lead to incorrect predictions, as certain metabolic processes are controlled by regulatory
mechanisms. Accordingly, many methodologies have been developed to extend the reconstruction and
analysis of GEM models via the integration of Transcriptional Regulatory Network (TRN)s. Nevertheless,
the perspective of reconstructing integrated genome-scale regulatory and metabolic models for diverse
prokaryotes is still an open challenge.
In this work, we propose several tools to assist the reconstruction and analysis of regulatory and
metabolic models. We start by describing BioISO, a novel tool to assist the manual curation of GEM
models. BioISO uses a recursive relation-like algorithm and Flux Balance Analysis (FBA) to evaluate and
guide debugging of in silico phenotype predictions. Hence, this tool can reduce the number of artifacts in
GEM models, decreasing the burdens of model refinement and curation.
A state-of-the-art repository of TRNs for prokaryotes was implemented to support the reconstruction
and integration of TRNs into GEM models. The ProTReND repository comprehends several tools to extract
and process regulatory information available in several resources. More importantly, this repository contains a data integration system to unify the regulatory data into standardized TRNs at the genome scale.
In addition, ProTReND contains a web application with full access to the regulatory data.
Finally, we have developed a new modeling framework to define, simulate and analyze GEnome-scale
Regulatory and Metabolic (GERM) models in MEWpy. The GERM model framework can read a GEM
model, as well as a TRN from different file formats. This framework assembles a GERM model using
the regulatory interactions and Genes-Proteins-Reactions (GPR) rules encoded into the GEM model and
TRN. In addition, this modeling framework supports several methods of phenotype prediction designed
for regulatory-metabolic models.I would like to thank Fundação para a Ciência e Tecnologia for the Ph.D. studentship I was awarded
with (SFRH/BD/139198/2018)
