واکاوی موازنه شار یک روش ریاضی با رویکرد مدل‏سازی بر پایه محدودیت به‏منظور تجزیه و تحلیل شارهای سوخت‏و‏سازی از طریق شبکه‏های سوخت‏و‏سازی مقیاس ژنوم است. یکی از ضعف‏های fba این است که محدودیت‏های تنظیمی در آن لحاظ نشده است و بسیاری از اشتباهات در پیش‏بینی‏های انجام شده توسط این روش به دلیل فقدان محدودیت‏های تنظیمی است. بنابراین، طی سال های اخیر به منظور بهبود قابلیت پیش بینی روش واکاوی موازنه شار از طریق ادغام آن با داده های توان بالا، الگوریتم هایی ارائه شده است. از جمله داده های توان بالای مورد استفاده، داده های حاصل از روش پرکاربرد ریزآرایه dna است. در این پژوهش الگوریتمی جدید معرفی شده است که یک الگوی استفاده از واکنش، از پروفایل بیان ژن استخراج و حد بالای واکنش‏ها را محدود می‏کند. علاوه بر این، واکنش‏های آنزیمی کد شده توسط یک ژن، به منظور جلوگیری از چندین بار استفاده از مقدار بیان یک ژن با استفاده از یک محدودیت جدید، به هم مرتبط می‏شوند. یک رابطه بر اساس بازده رشد سلول به منظور تبدیل سطح بیان ژن به حد بالای واکنش‏ها، برای رشد اشریشیاکلی bw25113 در محیط کشت حداقلی گلوکز معرفی شده است. الگوریتم، ژن‏ها و مسیرهای سوخت‏و‏سازی گلوگاه برای رشد را شناسایی و ژن‏های موثر در دفع محصولات تخمیر را تعیین می‏کند. نتایج نشان می‏دهد، اشریشیاکلی با دو محدودیت اصلی برای رشد بهینه شامل: تولید انرژی با استفاده از فسفریلاسیون اکسیداتیو و انتقال متابولیت‏ها، به‏ویژه از غشاء خارجی مواجه است.

در دهه‏ های اخیر مدل‏ های متابولیکی به ابزار مهمی در مطالعه شبکه‏‏ های متابولیکی تبدیل شده است. زایموموناس موبیلیس باکتری گرم منفی، بی ‏هوازی اختیاری و قادر به تولید اتانول از منابع کربنی مانند گلوکز، فروکتوز و ساکاروز است. در این پژوهش، مدل متابولیکی مقیاس ژنوم شامل 757 واکنش، 691 متابولیت و 434 ژن برای باکتری زایموموناس موبیلیس (atcc 10988) ساخته شد. به منظور تأیید صحت نتایج مدل، نتایج مقادیر اندازه گیری شده زیست توده و اتانول تولیدی در کشت ناپیوسته زایموموناس موبیلیس با نتایج مدل مقایسه شد. از مدل ارائه شده برای بررسی تأثیر فعالیت آنزیم atpآز بر توزیع شار درون سلولی و بررسی تأثیر اکسیژن بر رشد و تولید محصولات تخمیر استفاده شد.

مدل سازی متابولیسم تولید شیر مبتنی بر بازسازی شبکه متابولیکی بافت غده پستانی گاو، می تواند منجر به دیدگاه سیستمی به این فرآیند پیچیده و درک بهتر آن گردد. این بازسازی با استفاده از اطلاعات ژنومی قابل دسترس گاو امکان پذیر است. در این پژوهش، اطلاعات مورد نیاز، از پایگاه های داده ncbi ، uniprot، kegg و brenda جمع آوری و مورد استفاده قرار گرفتند. . نتایج آنالیزهای انجام شده در این تحقیق می تواند برای مدلینگ و شبیه سازی سیستم بیولوژیکی بافت غده پستانی گاو برای طراحی فنوتیپ مطلوب برای افزایش کمیت و کیفیت شیر در گاو بکار رود. در نهایت، این پژوهش به بهبود درک تولید شیر با نگاه شبکه ای کمک کرده و تلفیق آن با نتایج آنالیز داده های اومیکس در سایر سطوح برای این بافت، یک دیدگاه جامع و سیستمیک از عمکرد این بافت برای تولید شیر ارائه می دهد که می تواند قدم مفیدی در ارائه استراتژی پرورش واصلاح نژاد گاو داشته باشد.

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.