Modular dynamic biomolecular modelling with bond graphs: the unification of stoichiometry, thermodynamics, kinetics and data.
Modular dynamic biomolecular modelling with bond graphs: the unification of stoichiometry, thermodynamics, kinetics and data.
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DOI：
10.1098/rsif.2021.0478
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发表时间：
2021-08
期刊：
影响因子：
--
通讯作者：
Crampin EJ
中科院分区：
文献类型：
--
作者：
Gawthrop PJ;Pan M;Crampin EJ
生物分子系统的动态模拟模型的重新兴趣源于全基因组测量的进展以及这种模型在生物技术和合成生物学中的应用。特别是，基因组规模的细胞代谢超过稳态的模型是必需的，以代表系统的瞬态和动态调节特性。这种全细胞模型的开发需要新的建模方法。在这里，我们提出了基于能量的键合图方法，它集成了化学计量模型与热力学原理和动力学建模。我们演示了如何键合图的方法本质上强制执行热力学约束，提供了一个模块化的建模方法，并给出了一个基础，导致生物分子系统的动态模型的模型参数估计。该方法说明了使用一个完善的大肠杆菌的化学计量模型和公布的实验数据。
Renewed interest in dynamic simulation models of biomolecular systems has arisen from advances in genome-wide measurement and applications of such models in biotechnology and synthetic biology. In particular, genome-scale models of cellular metabolism beyond the steady state are required in order to represent transient and dynamic regulatory properties of the system. Development of such whole-cell models requires new modelling approaches. Here, we propose the energy-based bond graph methodology, which integrates stoichiometric models with thermodynamic principles and kinetic modelling. We demonstrate how the bond graph approach intrinsically enforces thermodynamic constraints, provides a modular approach to modelling, and gives a basis for estimation of model parameters leading to dynamic models of biomolecular systems. The approach is illustrated using a well-established stoichiometric model of Escherichia coli and published experimental data.
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