مطالعه سیستم بیولوژی و ساخت سامانه اطلاعاتی باکتری های استرپتوکوکوس بویس و مگاسفرا السدنی دخیل در تولید و مصرف اسید لاکتیک در محیط شکمبه

میکروب های موجود در اکوسیستم میکروبی شکمبه نشخوارکنندگان که کنسرسیوم پیچیده ای از گروه های مختلف میکروبی را تشکیل می دهند، به عنوان دستگاه های متابولیک انجام وظیفه می کنند. این میکروب ها نقش مهمی را در سلامت و عملکرد حیوان ایفا می کنند. کارایی نشخوارکنندگان در استفاده از خوراک های مختلف به علت وجود اکوسیستم به شدت متنوع میکروبی شکمبه می باشد. یکی از مهمترین اختلالات متابولیکی که در نشخوارکنندگان در اثر بر هم خوردن توازن میکروبی و همچنین روابط متقابل میان آنها رخ می دهد اسیدوز شکمبه ای می باشد. این اختلال در اثر تولید بیش از حد اسید لاکتیک در محیط شکمبه پدید می آید و سالانه خسارات فراوانی را بر دامداری های صنعتی سراسر جهان وارد می کند. امروزه علم بیوانفورماتیک جایگاه خاصی را در تمام شاخه های علوم زیستی به خود اختصاص داده و علوم دامی نیز از آن مستثنی نبوده است. در طی سال های اخیر، شبکه متابولیکی شمار زیادی از ارگانیسم های مختلف ساخته شده است، اما مطالعات مرتبط با شبکه های متابولیک میکروب های شکمبه کمتر انجام شده است. شمار ارگانیسم هایی که برای آنها شبکه متابولیکی بازسازی شده است به طور موازی با توالی یابی کامل ژنومی افزایش پیدا کرده است. شبکه های متابولیکی بازسازی شده به یک ابزار ضروری برای مطالعه سیستم بیولوژی متابولیسم تبدیل شده اند. مدل های متابولیکی مبتنی بر ژنوم یک بستر قدرتمندی را برای معنا نمودن اطلاعات ژنومی به بینش عمیق زیستی فراهم می کنند. در پژوهش حاضر به عنوان یکی از اولین مطالعات سیستم بیولوژی شکمبه، مدل های متابولیکی مبتنی بر ژنوم دو گونه باکتریایی استرپتوکوکوس بویس و مگاسفرا السدنی ساخته شدند. در محیط شکمبه یک رابطه متقابل میان این دو باکتری وجود دارد، به طوری که استرپتوکوکوس بویس اسید لاکتیک را تولید می کند و مگاسفرا السدنی آن را مصرف می کند. در گام اول، توالی کامل ژنومی هر دو گونه باکتریایی که از قبل توالی یابی شده بودند و در پایگاه داده img نگهداری می شوند مورد استفاده قرار گرفتند. در این تحقیق، ساخت شبکه متابولیک اولیه از روی اطلاعات انوتیشن ژنومی باکتری ها با استفاده از زبان برنامه نویسی متلب و جعبه ابزار raven صورت گرفت. سپس شبکه های اولیه تصحیح و بهبودبخشی شدند و شکاف های مدل در طی یک فرآیند زمانبر پر گردید. آنالیز موازنه شار بر روی هر یک از مدل ها انجام شد و کیفیت ساخت مدل ها ارزیابی گردید. علاوه بر این از آنالیزهای تغییرپذیری شار، حسایت و توپولوژی برای مطالعه مدل ها با اهداف خاص استفاده شد. نتایج بدست آمده نشان داد که مدل باکتری استرپتوکوکوس بویس (istr472) 694 واکنش، 626 متابولیت و 472 ژن را شامل گردید. همچنین مدل متابولیکی باکتری مگاسفرا السدنی (imeg618) 851 واکنش، 787 متابولیت و 618 ژن را شامل گردید. مدل ها با اطلاعات درون تنی و آزمایشگاهی اعتبارسنجی شدند و توانایی پیش بینی بالقوه آنها برای رفتارهای متابولیکی مورد ارزیابی قرار گرفت. همچنین در این پژوهش روابط متقابل باکتری های تحت مطالعه در تولید و مصرف اسید لاکتیک با استفاده از دو روش مدل سازی اجتماعی (روش آنالیز موازنه شار و optcom) شبیه سازی شدند و مقایسه گردیدند. مقایسه دو روش نشان داد که میان روش ها تفاوت معنی داری وجود ندارد و بهتر است که برای مدل های ساده روابط میکروبی از آنالیز موازنه شار استفاده گردد. در نهایت، کنسرسیوم دو مدل متابولیکی مبتنی بر ژنوم برای پیش بینی مصرف لاکتات تولیدی توسط مگاسفرا السدنی که نقش مهمی را در کنترل اختلال متابولیکی اسیدوز ایفا می کند به کار برده شد. روی هم رفته، مدل های ساخته شده ارگانیسم ها مدل های پیش بینی کننده ای بوده که قادرند بینشی را درباره تولید و مصرف لاکتات میکروبی در شکمبه ایجاد کرده و پیش بینی هایی را نیز از رفتار فیزیولوژیکی ارگانیسم ها ارائه کنند. همچنین از این مدل ها می توان به عنوان ابزاری برای درک بهتر متابولیسم و مهندسی متابولیک باکتری های تحت مطالعه به منظور تولید کمتر لاکتات یا مصرف بیشتر آن در محیط شکمبه بهره برد. در فاز دوم تحقیقاتی، یک سیستم تلفیقی از gis و آنتولوژی برای مدیریت اطلاعات متابولیکی و ژنومی باکتری های مذکور طراحی گردید. سیستم پیشنهادی از توانایی بالایی برای نمایش، مدیریت، استفاده مجدد، به اشتراک گذاری و کوئری نمودن اطلاعات متابولیکی و ژنومی برخوردار است. اطلاعات مدل های ساخته شده در سامانه ابداعی به منظور ارزیابی عملکرد سیستم ثبت گردیدند و عملکرد سیستم با موفقیت آزمون شد. از ویژگی های منحصر به فرد سیستم پیشنهادی می توان به گسترش پذیری آن برای مدیریت اطلاعات متابولیکی و ژنومی سایر میکروب ها نیز اشاره کرد.