• Genomics & Informatics
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• 제4권3호
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• pp.118-124
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• 2006

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.

• Journal of Microbiology and Biotechnology
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• 제15권1호
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• pp.161-174
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• 2005

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.

• Journal of Microbiology and Biotechnology
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• 제13권4호
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• pp.571-577
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• 2003

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.

• Journal of Plant Biotechnology
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• 제30권1호
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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.

• 생명과학회지
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• 제32권3호
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• pp.249-255
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• 2022

대사는 생존과 번식에 필수적이다. 2020년에 업그레이드된 COG (cluster of orthologous proteins) 데이터베이스에는 "pathways" 항목이 있다. 본 연구에서는 COG pathways를 이용하여 1,309개의 원핵생물의 대사 경로를 분석하였다. 63개의 대사경로와 관련된 822개의 COG가 있었고, 각 분류단위의 대사관련 COG의 평균은 200.50개(phylum Mollicutes)에서 527.07개(phylum Cyanobacteria)의 사이였다. MPCR을 대사경로구성율(하나의 게놈에 존재하는 COG 수 / 각 대사 경로를 구성하는 COG의 총 수)로 정의하였다. MPCR이 100%인 대사경로의 수는 원핵생물에 따라 0에서 26의 범위였다. 다수의 원핵생물에서 100% MPCR인 대사경로는 세포벽 합성과 관련된 murein biosynthesis (922종), glycine cleavage (918종), ribosome 30S subunits (903종) 등이었다. MPCR이 0%인 대사경로(종의 수)는 photosystem I (1,263종), A/V (archaea/vacuolar)-type ATP synthase (1,028종) 및 Na⁺-translocation NADH dehydrogenase (976종) 등이었다. 원핵생물에 따라 3~49개의 대사경로를 전혀 수행할 수 없었다. MPCR의 보존성이 높은 대사경로의 순서는 ribosome 30S subunit (1,309종의 96.1%), murein biosynthesis (86.8%), arginine biosynthesis (80.4%), serine biosynthesis (80.3%) 및 aminoacyl-tRNA synthetases (82.2%) 등이었다. 단백질과 세포벽 합성이 원핵생물에서 중요한 대사경로인 것을 알 수 있었다. 본 연구의 결과와 원핵생물 사이의 대사경로와 관련된 COG는 항생제 및 인공세포의 개발 등에 활용될 수 있을 것이다.

• 한국컴퓨터정보학회논문지
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• 제18권5호
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• pp.95-102
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• 2013

생명체 내에서 나타나는 네트워크 중 하나인 대사 경로는 화합물의 상호 관계를 그래프를 통해 표현된다. 대사 경로는 본질적인 복잡성 때문에 대사 경로 내의 흐름을 한 눈에 알 수 있도록 가시화하여 보여 주는 도구가 반드시 필요하다. 이러한 가시화 도구의 경우 노드수가 증가할수록 에지 교차가 기하급수적으로 증가하는 문제가 있다. 따라서 유전체 수준의 대사 경로를 연구하기 위해서는 대사 경로 그래프 레이아웃 상에 나타나는 에지 교차를 줄이는 것이 시각화의 매우 중요한 부분이다. 본 논문은 생물학에서의 대사 경로에 대한 시각화를 위한 2-계층을 이용한 대사 경로 레이아웃 알고리즘을 제안한다. 대사 경로의 구조적 특징을 고려하여 대사 경로 그래프에 존재하는 주요 컴포넌트인 환형 컴포넌트 또는 연결성 높은 노드를 찾아 상위 계층에 레이아웃 하고 나머지 부분그래프는 하위 계층에 레이아웃 한다. 제안한 대사 경로 레이아웃 알고리즘은 유연성 있는 대사 경로 분석의 기초가 된다.

• Genomics & Informatics
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• 제6권2호
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• pp.68-71
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• 2008

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.

• KSBB Journal
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• 제20권6호
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• pp.464-469
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• 2005

가정쓰레기 매립지 토양에서 분리된 Enterobacter sp. SNU-1453은 Enteric bacteria에 속하는 종(species)으로서 혐기 발효 시 효과적으로 수소를 생산하였다. 이러한 fermentative bacteria는 여러 가지 외부 요인에 의해 다른 metabolism을 나타내어 수소생산량에 영향을 준다. 혐기 발효가 진행됨에 따라 배지의 pH가 급격히 감소하여 미생물 성장과 수소생산에 영향을 미치므로, pH에 따른 metabolism변화를 관찰함으로써 수소생산을 극대화하기 위한 최적 pH 조건을 선정하여 제어할 필요가 있다. 본 연구에서는 수소생산에 대한 pH의 효과 및 pH 제어에 따른 metabolic flux를 분석하였다. 실험 결과 이 분리 균주는 매우 넓은 영역의 pH(4-7.5)에서도 수소를 생산하였으며, pH 7에서 가장 높은 수소생산량을 나타내었다. pH 7로의 제어는 butanediol pathway로부터 수소 생산에 더 유리한 mixed acid fermentation pathway로 metabolic flux를 변화시킴을 알 수 있었다.

• 생명과학회지
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• 제28권3호
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• pp.369-375
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• 2018

Mycoplasma genitalium은 367개의 보존적 유전자를 가지고 있으며 단독배양이 가능한 원핵생물 중 게놈크기가 최소이다. 본 연구에서는 M. genitalium과 M. genitalium보다 보존적 유전자 수가 적은 14개 원핵생물 즉 세포외 공생을 하는 초고온성 고세균 Nanoarchaeum equitans, 식물 세포 내부 기생성 진정세균 혹은 곤충 세포 내부 공생성 진정세균 13종 등의 원핵생물에 보존적인 대사경로를 검토하였다. 이들은 11~71개의 대사경로를 가졌지만 완전한 대사경로는 1~24개였다. 전체 대사경로에 필요한 효소의 45.8%가 결핍되어 대사경로 구멍(metabolic pathway hole)이 매우 많아, 숙주의 효소와 함께 공유대사경로(shared metabolic pathway)를 나타내거나 필수물질의 상당 부분이 숙주에 의존적일 것으로 사료되었다. 세포막을 통한 물질이동에 필요한 유전자의 개수도 아주 적어 단순확산 내지 숙주의 단백질이 이들의 세포막에서 물질이동의 기능을 할 것으로 사료되었다. tRNA charging 경로만이 15개의 분석 대상 원핵생물 모두에 분포하였지만, 분석 대상 원핵생물들은 각각 5~20개의 tRNA charging 유전자를 보유하였다. 본 연구 결과는 배양 불가능한 식물 세포 내 기생성 그리고 곤충 세포 내 공생성 원핵생물들의 대사경로 이해에 대한 단서와 함께 농작물 피해 방지와 해충구제, 의약품 개발 등에 사용할 기초자료를 제공할 수 있을 것이다.

• 한국컴퓨터정보학회논문지
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• 제18권6호
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• pp.71-79
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• 2013

화합물의 상호 관계를 그래프를 통해 표현하는 대사 경로는 본질적인 복잡성 때문에 대사 경로 내의 흐름을 한눈에 알 수 있도록 가시화하여 보여 주는 도구가 반드시 필요하다. 또한 유전체 수준의 대사 경로를 연구하기 위해서는 대사 경로 그래프 레이아웃 상에 나타나는 에지 교차를 줄이는 것이 시각화의 매우 중요한 부분이다. 본 논문은 생물학에서의 대사 경로에 대한 시각화를 위한 3-계층을 이용한 대사 경로 레이아웃 알고리즘을 제안한다. 대사경로의 구조적 특징을 고려하여 노드수가 증가하여도 에지 교차가 기하급수적으로 증가하는 문제를 해결하기 위하여 연결성 높은 노드와 환형 컴포넌트를 중앙계층에 위치시키고 나머지 부분 그래프를 상위와 하위 계층에 레이아웃 하도록 한다. 실험을 통해 에지 교차수가 줄어듦을 확인할 수 있다.