modelando vias metabólicas

Data: Dec. 24, 2021, 5:08 p.m.

Saiba mais sobre os métodos que permitem modelar vias metabólicas

Autor | Lucas Fernandes

Um tópico que permanece central em Biologia Molecular é a ponte entre genótipo e fenótipo. Em outras palavras, suponha que tenhamos determinado todos os genes de um dado indivíduo. Sob determinadas condições ambientais (por exemplo, disponibilidade de recursos, temperatura e pH), podemos inferir, a partir desse conjunto de genes, quais serão as características morfológicas e fisiológicas desse indivíduo?

A dificuldade dessa empreitada deve-se principalmente a dois aspectos: primeiro, tão importante quanto saber quais genes compõem um determinado genoma, faz-se necessário determinar qual o padrão de expressão desses genes, ou seja, quais desses genes serão ativados para produzir, ao fim do processo, uma molécula de proteína correspondente.

Esse processo de expressão gênica é constituído de complexas etapas de regulação, entre as quais transcrição e tradução de mRNA e folding de proteínas, cada uma também dependente de um número enorme de fatores intrínsecos e extrínsecos.

Segundo, o fenótipo expresso por cada indivíduo depende intimamente de seu metabolismo. Chamamos de metabolismo o processo a partir do qual um organismo capta os recursos necessários do ambiente e os transforma, a fim de produzir os componentes fundamentais para sua sobrevivência e reprodução.

Veja o caso da respiração celular, por exemplo. Para obter a energia necessária a todos os processos fisiológicos, as células precisam processar moléculas como glicose ou outros açúcares simples e armazenar a energia liberada, numa sequência de transformações dessas moléculas que se dá em várias etapas. Cada uma dessas moléculas intermediárias é chamada metabólito e essas transformações são mediadas por reações enzimáticas.

Nessas reações, proteínas sintetizadas pelo organismo chamadas enzimas funcionam como uma arena para essas transformações entre metabólitos, aumentando drasticamente a velocidade e eficiência dessas reações. A compreensão dos mecanismos de regulação dessas reações metabólicas, a partir da expressão dos genes relacionados a essas enzimas, é portanto fundamental para inferir respostas fisiológicas e morfológicas.

Apesar da descrição completa dessa ponte entre genótipo e fenótipo para humanos ou outros organismos multicelulares ainda estar longe de ser atingida, avanços importantes com foco em microrganismos unicelulares têm sido obtidos.

E isso gera um impacto enorme, uma vez que organismos como Escherichia coli (bactéria) e Saccharomyces cerevisiae (levedura) são fundamentais na produção industrial de diversos compostos e em estudos de aplicação de fármacos.

Dada a complexidade desses processos, desde a expressão dos genes até as dinâmicas de reações metabólicas, uma ferramenta essencial nesses estudos tem sido o uso de modelos matemáticos e computacionais. Cada uma das etapas de expressão gênica e metabolismo possui uma classe específica de modelos matemáticos, que podem ser integradas, em maior ou menor grau.

Vamos conversar um pouco mais sobre a modelagem do metabolismo?

Todo modelo metabólico parte da construção de uma representação do metabolismo, ou seja, da escolha do conjunto de metabólitos, reações e vias metabólicas que serão relevantes para as questões que queremos explorar. Informações sobre vias metabólicas relevantes a diversos tipos de organismos podem ser encontradas em banco de dados de bioinformática como a Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes (KEGG) ou BioCyc, EcoCyc e MetaCyc.

Essas construções são então representadas como redes metabólicas, onde cada nó (ou ponto) da rede representa um metabólito e dois metabólitos são conectados se eles correspondem ao início e fim de uma mesma reação metabólica.

A figura abaixo mostra um mapa global de vias metabólicas obtido no KEGG, ressaltando em negrito ao centro os componentes de uma das principais vias na respiração celular, composta por glicólise, oxidação de piruvato e ciclo TCA (ou ciclo de Krebs).

Uma vez escolhida a estrutura da rede metabólica relevante ao nosso problema, uma série de perguntas pode ser feita, por exemplo: como muda a velocidade de produção de determinados metabólitos se mudarmos a disponibilidade de recursos? E se mudarmos a estrutura da nossa rede metabólica, através de inserção e deleção de genes que codificam as enzimas?

Tais questões são bastante importantes na bioengenharia de organismos utilizados em diversas aplicações industriais, como síntese de etanol ou ácido succínico.

Um dos métodos mais utilizados para o estudo desses fluxos (ou velocidades de reações) metabólicas é a chamada Flux Balance Analysis (FBA).

Essa técnica permite estimar as velocidades de produção de metabólitos de interesse a partir da otimização de uma função objetiva de interesse biológico, normalmente ganho de biomassa.

Isso eh equivalente a achar a solução para o seguinte problema: dada uma rede metabólica de minha escolha (que representa parte do metabolismo de um determinado organismo), e supondo que esse organismo sempre busca maximizar o seu crescimento (ganho de biomassa), quais devem ser as velocidades de reações metabólicas nessa rede?

Adaptada de https://www.nature.com/articles/nbt.1614

A cada dia mais informações sobre componentes e vias metabólicas são acumuladas, através do aperfeiçoamento de métodos experimentais, aumento de poder computacional e novas técnicas de análise. Dessa forma, os modelos metabólicos podem expandir cada vez mais seu escopo, partindo de modelos com dezenas de componentes metabólicos para modelos com centenas ou milhares de componentes.

Tais modelos, denominados Genome-scale metabolic models (GEMs), representam passos importantes a caminho de uma descrição completamente integrada entre genótipos e fenótipos.