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Os segredos das redes metabólicas: como os FBAs decifram reações bioquímicas dentro das células?
Em bioquímica, a análise de balanço de fluxo (FBA) é um método matemático projetado para simular o metabolismo de células ou organismos unicelulares, como Escherichia coli ou levedura. Essa abordagem usa reconstruções de redes metabólicas em escala genômica para descrever todas as reações bioquímicas em um organismo. Com o avanço da ciência e da tecnologia, a FBA está mudando a maneira como entendemos as reações bioquímicas dentro das células, permitindo-nos explorar mais profundamente como as células funcionam.
O FBA fornece uma maneira rápida e eficiente de calcular fluxos metabólicos em estado estacionário para modelos de grande escala em segundos, o que é muito importante para estudar vários processos biológicos.
Conceitos básicos da FBA
A análise do equilíbrio de fluxo consiste basicamente em transformar geometricamente as mudanças no sistema metabólico e realizar cálculos por meio de fórmulas matemáticas. Ele funciona tomando um produto escalar de uma matriz (a matriz química equivalente) e um vetor de fluxos desconhecidos, e o resultado desejado é um vetor que representa o sistema em estado estacionário.
No estado estacionário, a concentração de metabólitos permanece constante e as taxas de produção e consumo são equilibradas, resultando em nenhuma alteração líquida na massa ao longo do tempo.
Antecedentes históricos da FBA
A história da pesquisa da FBA pode ser rastreada até o início da década de 1980. Com o passar do tempo, essa tecnologia está sendo constantemente aprimorada, e cada vez mais acadêmicos estão começando a aplicá-la para resolver vários problemas bioquímicos. Por exemplo, Papoutsakis demonstrou pela primeira vez a possibilidade de construir equações de equilíbrio de fluxo usando mapas metabólicos, enquanto Fell e Small combinaram funções objetivas mais complexas para estudar restrições na síntese de gordura.
Simulação e Aplicação
O cálculo eficiente do FBA facilita sua aplicação em pesquisas em muitos campos, incluindo engenharia de bioprocessos e identificação de alvos de medicamentos de patógenos. Ao modificar sistematicamente as redes metabólicas de microrganismos, os pesquisadores conseguiram aumentar a produção de produtos químicos industriais, como etanol e succinato.
Estudos de reação de deleção e interferência
A exclusão de reação única é uma técnica comumente usada para procurar reações em redes metabólicas que são críticas para a produção de biomassa. Ao remover cada reação na rede, uma por uma, e medir o fluxo previsto, essas reações podem ser classificadas como importantes ou não importantes.
Interpretação de deleções de genes e respostas
A associação entre genes e reações catalisadas por enzimas pode ser avaliada usando as chamadas expressões gene-proteína-reação (GPR). Ele fornece informações valiosas sobre qual perda genética pode afetar a resposta, o que é importante para estudos patológicos.
Otimização de mídia de crescimento
O FBA também mostra grande potencial no desenvolvimento de meios de cultivo ideais. Ao alterar gradualmente a limitação de absorção de nutrientes e aplicar repetidamente FBA, é possível encontrar a combinação de nutrientes que melhor beneficia um fenótipo específico.
Esse processo permitiu aos cientistas prever as taxas de crescimento bacteriano em diferentes meios de crescimento e verificar a precisão dos modelos preditivos.
Perspectivas futuras da FBA
Com a melhoria do poder de computação e a conveniência do acesso aos dados, as perspectivas de aplicação do FBA se tornaram mais amplas. Estudos futuros podem integrar a FBA em sistemas biológicos mais complexos para obter uma compreensão mais profunda das interações entre o microbioma e o hospedeiro, revelando assim mais mistérios do microbioma humano.
Por meio da tecnologia FBA, podemos revelar com mais eficácia as reações bioquímicas dentro das células, mas isso pode nos ajudar a encontrar novas maneiras de tratar doenças?
