フラックスバランスのとれた代謝経路の並列解析のためのシステムアーキテクチャ

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Comput Biol Chem.2020 Jun;88:107309. S1476-9271(19)30155-0. doi: 10.1016/j.compbiolchem.2020.107309.Epub 2020-06-24.

フラックスバランスのとれた代謝経路の並列解析のためのシステムアーキテクチャ

A system architecture for parallel analysis of flux-balanced metabolic pathways.

Mona Arabzadeh
Mehdi Sedighi
Zamani
Sayed-Amir Marashi

PMID: 32650065 DOI: 10.1016/j.compbiolchem.2020.107309.

抄録

初等フラックスモード(EFM)解析は、代謝ネットワークの制約条件に基づくモデル化においてよく研究されている手法である。EFM解析では、バランスのとれた代謝フラックスを仮定して、ネットワークを最小の機能経路に分解する。本論文では、代謝ネットワークの機能を近似的にモデル化するシステムアーキテクチャを提案する。代謝ネットワークの表現にはAND/ORグラフモデルを用い、システム内の各処理要素は代謝物の機能をエミュレートする。本システムは、CUDA環境を用いたハードウェアプラットフォームとしてGPU（Graphics Processing Unit）上に実装されている。提案するアーキテクチャは、代謝経路と代謝物を横断するネットワーク構造に固有の並列性を利用しています。各要素の機能は、フラックスバランスのとれた経路を見つけることができるように定義されています。小規模および大規模代謝ネットワークの経路を提案アーキテクチャに適用し、その結果を議論する。

Elementary flux mode (EFM) analysis is a well-studied method in constraint-based modeling of metabolic networks. In EFM analysis, a network is decomposed into minimal functional pathways based on the assumption of balanced metabolic fluxes. In this paper, a system architecture is proposed that approximately models the functionality of metabolic networks. The AND/OR graph model is used to represent the metabolic network and each processing element in the system emulates the functionality of a metabolite. The system is implemented on a graphics processing unit (GPU) as the hardware platform using CUDA environment. The proposed architecture takes advantage of the inherent parallelism in the network structure in terms of both pathway and metabolite traversal. The function of each element is defined such that it can find flux-balanced pathways. Pathways in both small and large metabolic networks are applied to the proposed architecture and the results are discussed.