PREHRAMBENOBIOTEHNOLOKI FAKULTET LABORATORIJ ZA MJERENJE REGULACIJU I AUTOMATIZACIJU

PREHRAMBENO-BIOTEHNOLOŠKI FAKULTET LABORATORIJ ZA MJERENJE, REGULACIJU I AUTOMATIZACIJU PRIMJENA S-SUSTAVA ZA MODELIRANJE DINAMIKE INTRACELULARNIH REAKCIJA Martina Bevardi 096/BTBI 10/7/2020

Matematički modeli služe za: q q nalaženje optimalnih rješenja reakcijskih mehanizama uspostavljanje razumijevanja odnosa unutar biokemijskog procesa odgovaraju na pitanje “što ako” (“what if”) pokušaj extrapolacije podataka Postoji nekoliko modela za optimiranje procesa. Jedan od je i s-sustav model opisan u ovom radu. Martina Bevardi 096/BTBI 10/7/2020

Princip modeliranja s-sustav modelom Osnovna jednadžba koja karakterizira odnos koncentracija metabolita opisana je pomoću mass balance equation (bilance mase) Martina Bevardi 096/BTBI 10/7/2020

Princip modeliranja s-sustav modelom: Elementarni fluksevi grupirani su tako da ujedinjuju ulaze i izlaze iz metaboličkih “pool -ova”. Ti fluxevi su označeni s i. Tako jednadžba (1) može glasiti: Martina Bevardi 096/BTBI 10/7/2020

Princip modeliranja s-sustav modelom: Redovi reakcija su označeni s: a konstante brzine reakcija su: Martina Bevardi 096/BTBI 10/7/2020

Primjer optimizacije procesa s-sustavom je i povećanje proizvodnje limunske kiseline pomoću A. niger. Martina Bevardi 096/BTBI 10/7/2020

Primjer optimizacije procesa s-sustavom: Martina Bevardi 096/BTBI 10/7/2020

Primjer optimizacije procesa s-sustavom: Implementacija metode može se podijeliti u dva dijela: q q dizajniranje i procjena kvalitete matematičkog modela s-sustavom linearizacija i optimizacija metode Martina Bevardi 096/BTBI 10/7/2020

1. GMA-IOM MODEL Martina Bevardi 096/BTBI 10/7/2020

2. MODULIRANI BST (biochemical systems theory)-za nerazgranate metaboličke putove q ova metoda je kombinacija već postojećih metoda, a efikasno rješava linearne dijelove kompleksnih metaboličkih putova q Sastoji se od: RAZDVAJANJA (decoupling) BST 1. 2. Martina Bevardi 096/BTBI 10/7/2020

A) RAZDVAJANJE x = f(x); X(t 0) = X 0 S(tk) ≈ x; tk = f(X(tk)) Martina Bevardi 096/BTBI 10/7/2020

B) BST q GMA: q S-SUSTAV: Martina Bevardi 096/BTBI 10/7/2020

B) BST q obzirom da se metoda fokusira na linearnim lancima, razlika između GMA i s-sustava je nebitna, stoga jednadžba linearnog lanca glasi: Martina Bevardi 096/BTBI 10/7/2020

B) BST q ako se zamijene numeričke vrijednosti za sve varijable i nagibe, logaritmiraju se dobije se: Martina Bevardi 096/BTBI 10/7/2020

3. IZVOĐENJE BIOKEMIJSKIH MODELA SSUSTAVOM KORISTEĆI OPTIMIZACIJSKI PRISTUP S VIŠE FUNKCIJA q q navedeni rad razrađuje parametre modela kao što su konstante brzina i kinetički parametri kako bi dinamički profili što bolje odgovarali mjerenim teži se minimalizaciji greške koncentracije, nagiba, i interakcija, kako bi se našla adekvatna s-sustav struktura. Martina Bevardi 096/BTBI 10/7/2020

IZVOĐENJE BIOKEMIJSKIH MODELA SSUSTAVOM KORISTEĆI OPTIMIZACIJSKI PRISTUP S VIŠE FUNKCIJA q Pareto optimality se izražava pomoću metode najmanjeg kvadrata. U ovom slučaju se koristi za izračunavanje koncentracije i dana je jednadžbom: Martina Bevardi 096/BTBI 10/7/2020

IZVOĐENJE BIOKEMIJSKIH MODELA SSUSTAVOM KORISTEĆI OPTIMIZACIJSKI PRISTUP S VIŠE FUNKCIJA q alternativni kriterij je korištenje slope error Martina Bevardi 096/BTBI 10/7/2020

IZVOĐENJE BIOKEMIJSKIH MODELA SSUSTAVOM KORISTEĆI OPTIMIZACIJSKI PRISTUP S VIŠE FUNKCIJA q pa slijedi: q jednadžba je zbroj svih grešaka koncentracije, nagiba, interakcija. ω je težinski faktor kojeg treba podesiti kako bi se izveo s-sustav model. Martina Bevardi 096/BTBI 10/7/2020

IZVOĐENJE BIOKEMIJSKIH MODELA SSUSTAVOM KORISTEĆI OPTIMIZACIJSKI PRISTUP S VIŠE FUNKCIJA q cilj postavljanja ograničenja je da se odredi optimalno izvediv set parametara kod kojih je interakcija minimalna Martina Bevardi 096/BTBI 10/7/2020

4. PARAMETRI OTIMIZACIJE S-SUSTAVA q metaboličke i genetičke time series (vremenski nizovi) daju važan izvor informacija o biološkom procesu q opisana metoda bi trebala određene informacije pretvoriti u matematičke, koje će se realno karakterizirati topologijom mreže. Martina Bevardi 096/BTBI 10/7/2020

4. PARAMETRI OTIMIZACIJE S-SUSTAVA Martina Bevardi 096/BTBI 10/7/2020

4. PARAMETRI OTIMIZACIJE S-SUSTAVA q na slici je prikazan predloženi algoritam u kojem je za optimizaciju procesa potrebno poznavati samo vremenske nizove i β (konstanta brzine reakcije razgradnje). Martina Bevardi 096/BTBI 10/7/2020

KRITIČKI OSVRT NA RADOVE q q vrlo se lako možemo naći u situaciji u kojoj se zahtjeva od pojedinca da odredi ssustavom njegovu preciznost ne znajući pritom ništa osim vremenskih nizova i pri tome se ima malo vremena i novca treba težiti što savršenijoj, preciznijoj i jeftinijoj metodi optimizacije, pogotovo kod velikih biotehnoloških procesa Martina Bevardi 096/BTBI 10/7/2020

PRIMJER INTRACELULARNIH REAKCIJA Martina Bevardi 096/BTBI 10/7/2020

A) Bilanca mase Martina Bevardi 096/BTBI 10/7/2020

B) Michaelis-Menten jednadžba Martina Bevardi 096/BTBI 10/7/2020

C) s-sustav model Martina Bevardi 096/BTBI 10/7/2020

ZAKLJUČCI IZ LITERATURE q q q enzimski sustavi u živoj stanici su visoko uređene strukture ne baš uklopive u tipičnu Michaelis-Menten kinetiku uslijed toga je između ostalih nastao i ssustav gdje se skupni elementarni fluxevi mogu se podijeliti na skupne fluxeve vezane za supstrat i produkt usporedba je prikazala da takav prikaz pruža više matematički prihvatljivija rješenja Martina Bevardi 096/BTBI 10/7/2020

HVALA !! Martina Bevardi 096/BTBI 10/7/2020