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.
The comparison of metabolic pathway in different species is important in detecting a missing gene. There are many visualizations for metabolic pathway. However, Biologists need not only a simple path but also a visualization for comparison. K-Viz is a tool for visualization of metabolic pathway based on KEGG. To compare pathways in different species, K-Viz uses different color for path such as PathComp in KEGG and shows the table of path in pathway. K-Viz helps biologists to understand the comparison of metabolic pathways in different species.
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.
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.
Metabolimics interprets an organism as a network of functional units and an organism is represented by a metabolic pathway i.e., well-displayed graph. So a software tool for drawing pathway is necessary to understand it comprehensively. These tools have 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, it is very important to reduce unnecessary edge-crossing on a metabolic pathway layout. In this paper, we design and implement 2.5D metabolic pathway layout modules. Metabolic pathways are represented hierarchically by making use of the '2-layered layout algorithm' in 3D. It enhances the readability and reduces unnecessary edge-crossings by using 3D layout modules instead of 2D layout algorithms.
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.
Journal of Korea Society of Industrial Information Systems
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v.12
no.4
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pp.138-147
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2007
Metabolic pathway is a series of chemical reactions occuning within a cell and can be used for drug development and understanding of life phenomenon. Many biologists are trying to extract metabolic pathway information from huge literatures for their metabolic-circuit regulation study. We propose a text-mining technique based on the keyword and pattern. Proposed technique utilizes a web robot to collect huge papers and stores them into a local database. We use gene ontology to increase compound recognition rate and NCBI Tokenizer library to recognize useful information without compound destruction. Furthermore, we obtain useful sentence patterns representing metabolic pathway from papers and KEGG database. We have extracted 66 patterns in 20,000 documents for Glycosphingolipid species from KEGG, a representative metabolic database. We verify our system for nineteen compounds in Glycosphingolipid species. The result shows that the recall is 95.1%, the precision 96.3%, and the processing time 15 seconds. Proposed text mining system is expected to be used for metabolic pathway reconstruction.
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.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.
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.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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