Quantitative analysis of metabolic networks and design of minimal bioreaction models

Georges Bastin (1)

1 CSAM - Centre for Systems Engineering and Applied Mechanics

This tutorial paper is concerned with the design of macroscopic bioreaction models on the basis a quantitative analysis of the underlying cell metabolism. The paper starts with a review of two fundamental algebraic techniques for the quantitative analysis of metabolic networks : (i) the decomposition of complex metabolic networks into elementary pathways (or elementary modes), (ii) the metabolic flux analysis which aims at computing the entire intracellular flux distribution from a limited number of flux meaurements. Then it is discussed how these two fundamental techniques can be exploited to design minimal bioreaction models by using a systematic model reduction approach that automatically produces a family of equivalent minimal models which are fully compatible with the underlying metabolism and consistent with the available experimental data. The theory is illustrated with an experimental case-study on CHO cells.

Cet article tutoriel traite de la conception de modèles de bioréactions macroscopiques sur la base d’une analyse quantitative du métabolisme cellulaire sous-jacent. L’article commence par un rappel de deux techniques algébriques fondamentales pour l’analyse quantitative des réseaux métaboliques : (i) la décomposition des réseaux métaboliques complexes en chemins élémentaires (ou modes élémentaires), (ii) l’analyse des flux métaboliques qui vise à calculer la totalité des flux métaboliques intracellulaires à partir d’un ensemble limité de mesures. On montre ensuite comment ces deux techniques peuvent être exploitées pour concevoir des modèles minimaux de bioréactions en utilisant une approche systématique de réduction de modèle qui produit automatiquement une famille de modèles minimaux équivalents compatibles non seulement avec les données expérimentales mais aussi avec le métabolisme sous-jacent. La théorie est illustrée avec une étude de cas expérimentale sur des cellules CHO.

Mots clés: Model reduction; Metabolic networks; Metabolic flux analysis

Mots clés: Analyse des flux métaboliques; Bioréactions; Réseaux métaboliques; Réduction de modèle

Domaines: Informatique [cs]; Mathématiques [math]

Georges Bastin. Quantitative analysis of metabolic networks and design of minimal bioreaction models. Revue Africaine de Recherche en Informatique et Mathématiques Appliquées, 2008, Volume 9, 2007 Conference in Honor of Claude Lobry, 2008, ⟨10.46298/arima.1891⟩. ⟨hal-01277922⟩