SW
St. Wilken
Author with expertise in Metabolic Engineering and Synthetic Biology
Achievements
Open Access Advocate
Key Stats
Upvotes received:
0
Publications:
2
(100% Open Access)
Cited by:
2
h-index:
9
/
i10-index:
9
Reputation
Biology
< 1%
Chemistry
< 1%
Economics
< 1%
Show more
How is this calculated?
Publications
7

COBREXA.jl: constraint-based reconstruction and exascale analysis

Miroslav Kratochvíl et al.Jun 7, 2021
+9
S
L
M
Summary COBREXA.jl is a Julia package for scalable, high-performance constraint-based reconstruction and analysis of very large-scale biological models. Its primary purpose is to facilitate the integration of modern high performance computing environments with the processing and analysis of large-scale metabolic models of challenging complexity. We report the architecture of the package, and demonstrate how the design promotes analysis scalability on several use-cases with multi-organism community models. Availability and implementation https://doi.org/10.17881/ZKCR-BT30 . Contact christophe.trefois@uni.lu , wei.gu@uni.lu
2

Interrogating the effect of enzyme kinetics on metabolism using differentiable constraint-based models

St. Wilken et al.Jul 11, 2022
+4
W
M
S
1 Abstract Metabolic models are typically characterized by a large number of parameters. Traditionally, metabolic control analysis is applied to differential equation-based models to investigate the sensitivity of predictions to parameters. A corresponding theory for constraint-based models is lacking, due to their formulation as optimization problems. Here, we show that optimal solutions of optimization problems can be efficiently differentiated using constrained optimization duality and implicit differentiation. We use this to calculate the sensitivities of predicted reaction fluxes and enzyme concentrations to turnover numbers in an enzyme-constrained metabolic model of Escherichia coli . The sensitivities quantitatively identify rate limiting enzymes and are mathematically precise, unlike current finite difference based approaches used for sensitivity analysis. Further, efficient differentiation of constraint-based models unlocks the ability to use gradient information for parameter estimation. We demonstrate this by improving, genome-wide, the state-of-the-art turnover number estimates for E. coli . Finally, we show that this technique can be generalized to arbitrarily complex models. By differentiating the optimal solution of a model incorporating both thermodynamic and kinetic rate equations, the effect of metabolite concentrations on biomass growth can be elucidated. We benchmark these metabolite sensitivities against a large experimental gene knockdown study, and find good alignment between the predicted sensitivities and in vivo metabolome changes. In sum, we demonstrate several applications of differentiating optimal solutions of constraint-based metabolic models, and show how it connects to classic metabolic control analysis.
2
Citation1
0
Save