For the direct understanding of flow, pathway data are usually represented as directed graphs in biological journals and texts. Databases of metabolic pathways or signal transduction pathways inevitably contain these kinds of graphs to show the flow. KEGG, one of the representative pathway databases, uses the manually drawn figure which can not be easily maintained. Graph layout algorithms are applied for visualizing metabolic pathways in some databases, such as EcoCyc. Although these can express any changes of data in the real time, it exponentially increases the edge crossings according to the increase of nodes. For the understanding of genome scale flow of metabolism, it is very important to reduce the unnecessary edge crossings which exist in the automatic graph layout. We propose a metabolic pathway drawing algorithm for reducing the number of edge crossings by considering the fact that metabolic pathway graph is scale-free network. The experimental results show that the number of edge crossings is reduced about $37{\sim}40%$ by the consideration of scale-free network in contrast with non-considering scale-free network. And also we found that the increase of nodes do not always mean that there is an increase of edge crossings.
Abstract Glycolysis has a main function to provide ATP and precursor metabolites for biomass production. Although glycolysis is one of the most important pathways in cellular metabolism, the details of its regulation mechanism and regulating chemicals are not well known yet. The regulation of the glycolytic pathway is very robust to allow for large fluxes at almost constant metabolite levels in spite of changing environmental conditions and many reaction effectors like inhibitors, activating compounds, cofactors, and related metal ions. These changing environmental conditions and metabolic reaction effectors were focused on to understand their roles in the metabolic networks. In this study, we have investigated for construction of the regulatory map of the glycolytic metabolic network and tried to collect all the effectors as much as possible which might affect the glycolysis metabolic pathway. Using the results of this study, it is expected that a complex metabolic situation can be more precisely analyzed and simulated by using available programs and appropriate kinetic data.
The intracellular metabolic fluxes can be calculated by metabolic flux analysis, which uses a stoichiometric model for the intracellulal reactions along with mass balances around the intracellular metabolites. In this study, metabolic flux analyses were carried out to estimate flux distributions for the maximum in silico yields of various metabolites in Escherichia coli. The maximum in silico yields of acetic acid and lactic acid were identical to their theoretical yields. On the other hand, the in silico yields of succinic acid and ethanol were only 83% and 6.5% of their theoretical yields, respectively. The lower in silico yield of succinic acid was found to be due to the insufficient reducing power. but this lower yield could be increased to its theoretical yield by supplying more reducing power. The maximum theoretical yield of ethanol could be achieved, when a reaction catalyzed by pyruvate decarboxylase was added in the metabolic network. Futhermore, optimal metabolic pathways for the production of various metabolites could be proposed, based on the results of metabolic flux analyses. In the case of succinic acid production, it was found that the pyruvate carboxylation pathway should be used for its optimal production in E. coli rather than the phosphoenolpyruvate carboxylation pathway.
Ha, Sun-Hwa;Kim, Jung-Bong;Park, Jong-Sug;Ryu, Tae-Hun;Kim, Kyung-Hwan;Hahn, Bum-Soo;Kim, Jong-Bum;Kim, Youg-Hwan
Journal of Plant Biotechnology
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v.30
no.1
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pp.81-95
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2003
Carotenoids are synthesized from the plastidic glyceraldehyde-3-phosphate (GAP)/pyruvate pathway in isoprenoids biosynthetic system of plants. They play a crucial role in light harvesting, work as photoprotective agents in photosynthesis of nature, and are also responsible for the red, orange and yellow colors of fruits and flowers in plants. In addition to biological actions of carotenoids as antioxidants and natural pigments, they are essential components of human diet as a source of vitamin A. It has been also suggested that some kinds of carotenoids might provide protection against cancer and heart disease as human medicines. In this article, we review the commercial applications on the basis of biological functions of carotenoids, summarize the studies of genes involved in the carotenoid biosynthetic pathway, and introduce recent results achieved in metabolic engineering of carotenoids. This effort for understanding the carotenoids metabolism will make us to increase the total carotenoid contents of crop plants, direct the carotenoid biosynthetic machinery towards other useful carotenoids, and produce a new array of carotenoids by further metabolizing the new precursors that are created when one or two key enzymes in carotenoid biosynthetic pathway are exchanged through gene manipulation in the near future.
Metabolism is essential for survival and reproduction, and there is a metabolic pathways entry in the clusters of orthologous groups of proteins (COGs) database, updated in 2020. In this study, the metabolic pathways of 1309 prokaryotes were analyzed using COGs. There were 822 COGs associated with 63 metabolic pathways, and the mean for each taxon was between 200.50 (mollicutes) and 527.07 (cyanobacteria) COGs. The metabolic pathway composition ratio (MPCR) was defined as the number of COGs present in one genome in relation to the total number of COGs constituting each metabolic pathway, and the number of pathways with 100% MPCR ranged from 0 to 26 in each prokaryote. Among 1309 species, the 100% MPCR pathways included murein biosynthesis associated with cell wall synthesis (922 species); glycine cleavage (918); and ribosomal 30S subunit synthesis (903). The metabolic pathways with 0% MPCR were those involving photosystem I (1263 species); archaea/vacuolar-type ATP synthase (1028); and Na+-translocation NADH dehydrogenase (976). Depending on the prokaryote, three to 49 metabolic pathways could not be performed at all. The sequence of most highly conserved metabolic pathways was ribosome 30S subunit synthesis (96.1% of 1309 species); murein biosynthesis (86.8%); arginine biosynthesis (80.4%); serine biosynthesis (80.3%); and aminoacyl-tRNA synthesis (82.2%). Protein and cell wall synthesis have been shown to be important metabolic pathways in prokaryotes, and the results of this study of COGs related to such pathways can be utilized in, for example, the development of antibiotics and artificial cells.
Journal of the Korea Society of Computer and Information
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v.18
no.5
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pp.95-102
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2013
In metabolomics, metabolic pathway is represented by well-displayed graph. Metabolic pathways, especially, have a complex binding structure, which makes the graphical representation hard to visualize. There is a problem that edge crossings exponentially increase as the number of nodes grows. To apply automatic graph layout techniques to the genome-scale metabolic flow of metabolism domains, it is very important to reduce unnecessary edge crossing on a metabolic pathway layout. we proposed a metabolic pathway layout algorithm based on 2-layer layout. Our algorithm searches any meaningful component existing in a pathway, such as circular components, highly connected nodes, and the components are drawn in upper layer. Then the remaining subgraphs except meaningful components are drawn in lower layer by utilizing a new radial layout algorithm. It reduces ultimately reduced the number of edge crossings. This algorithm is the basis of flexible analysis for metabolic pathways.
The static approach of representing metabolic pathway diagrams offers no flexibility. Thus, many systems adopt automatic graph layout techniques to visualize the topological architecture of pathways. There are weaknesses, however, because automatically drawn figures are generally difficult to understand. The problem becomes even more serious when we attempt to visualize all of the information in a single, big picture, which usually results in a confusing diagram. To provide a partial solution to this thorny issue, we propose J2dpathway, a metabolic pathway atlas viewer that has node-abstracting features.
For the biological production of hydrogen, a new fermentative hydrogen-producing bacterium, Enterobacter sp. SNU-1453, was isolated from a domestic landfill. During the culture of this bacterium, pH significantly decreased with the accumulation of various organic acids, and consequently this inhibited the production of hydrogen. It was found that the metabolic flux in this bacterium depended on the pH and affected the hydrogen production. A butanediol pathway was dominant during the fermentation when pH was not controlled. By controlling the pH at 7 this pathway can be shifted to a mixed acid pathway, which is favorable to the production of hydrogen.
Mycoplasma genitalium has 367 conserved genes and the smallest genome among mono-culturable prokaryotes. Conservative metabolic pathways were examined among M. genitalium and 14 prokaryotes, one hyperthermophilic exosymbiotic archaeon Nanoarchaeum equitans and 13 intracellular eubacteria of plants or insects, with fewer conserved genes than M. genitalium. They have 11 to 71 metabolic pathways, however complete metabolic pathways ranged from 1 to 24. Totally, metabolic pathway hole is very high due to the lack of 45.8% of the enzymes required for the whole metabolic pathways and it could be suggested that the shared metabolic pathway with the host's enzyme would work or the essential substances are host dependent. The number of genes necessary for mass transfer through the cell membrane is also very low, and it may be considered that the simple diffusion or the protein of the host will function in the cell membrane of these prokaryotes. Although the tRNA charging pathway was distributed in all 15 prokaryotes, each has 5-20 tRNA charging genes. This study would give clues to the understanding of the metabolic pathways of intracellular parasitic bacteria of plant and endosymbiotic bacteria of insects, and could provide basic data for prevention of crop damage, development of insect pests and human medicines.
Journal of the Korea Society of Computer and Information
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v.18
no.6
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pp.71-79
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2013
Metabolic pathway, represented by well-displayed graph, have a complex binding structure, which makes the graphical representation hard to visualize. To apply automatic graph layout techniques to the genome-scale metabolic flow of metabolism domains, it is very important to reduce unnecessary edge crossing on a metabolic pathway layout. we proposed a metabolic pathway layout algorithm based on 3-layer layout. Our algorithm searches any meaningful component existing in a pathway, such as circular components, highly connected nodes, and the components are drawn in middle layer. Then the remaining subgraphs except meaningful components are drawn in upper and lower layer by utilizing a new radial layout algorithm. It reduces ultimately reduced the number of edge crossings. Our algorithm solve the problem that edge crossings exponentially increase as the number of nodes grows.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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