Metabolismo umano: un modello completo ricostruito su scala genomica

di Silvia De Stefano 26—Mar—2020 / 2:28 PM

Si chiama Human1 ed è un modello del metabolismo umano completamente in silico. L’ultima versione rilasciata ha unificato due modelli paralleli e creato un repository open source per consentire aggiornamenti rapidi e tracciabili.

Human1 è un modello di metabolismo umano ampiamente curato e realizzato su scala genomica. Lo studio e il tentativo di realizzazione di un’opera del genere impegna i ricercatori da diversi anni, ma pochi giorni fa è stata rilasciata una nuova versione che ha unificato due modelli paralleli utilizzando un repository open source per consentire aggiornamenti rapidi e tracciabili.

Metabolic Atlas è un atlante dei processi metabolici

Gli autori del lavoro pubblicato su Science, hanno anche sviluppato Metabolic Atlas, una piattaforma online che serve a esplorare Human1.

L’intero processo di sviluppo è stato condotto in maniera molto sistematica e utilizzando un repository Git controllato in base alla versione con un’ottica di collaborazione davvero ampia in modo da rendere accessibili al pubblico tutti i cambiamenti passati e futuri e facilitare ulteriormente la condivisione del lavoro con tutta la comunità di ricerca.

Nella figura sottostante uno screenshot di come appare il portale web Metabolic Atlas associato ai dati di Human1.

Moltissime patologie sono associate a disfunzioni metaboliche

Il metabolismo umano è parte integrante della funzione cellulare e molte condizioni di salute come obesità, diabete, ipertensione, malattie cardiache e cancro sono associate a stati metabolici anormali.

Molte di queste condizioni patologiche possono essere diagnosticate mediante screening per biomarcatori specifici dei metaboliti nel sangue o nelle urine dei pazienti. I processi metabolici stessi possono essere i target per il trattamento di numerose malattie.

La comprensione del metabolismo in modo olistico nelle cellule umane rimane difficile

Nonostante l’importanza del metabolismo e i progressi che consentono la misurazione simultanea di migliaia di metaboliti, la comprensione del metabolismo in modo olistico nelle cellule umane rimane difficile. Uno dei motivi di questa difficoltà è che la caratteristica distintiva del metabolismo non sono le concentrazioni delle biomolecole stesse (come metaboliti, mRNA o proteine), ma i flussi metabolici attraverso complesse reazioni.

È proprio per affrontare questa sfida che sono già stati costruiti modelli metabolici su scala genomica (GEM), utilizzati, ad esempio, in applicazioni industriali.

Questi modelli però non avevano usato dati presi dall’uomo ma erano stati fatti per funghi (Saccharomyces cerevisiae) o batteri (Escherichia coli) allo scopo di comprendere il metabolismo per progettare nuovi obiettivi cellulari, come la produzione di biocarburanti.

Il miglioramento e lo sviluppo dei modelli GEM per il metabolismo umano

Negli ultimi 15 anni, i ricercatori hanno dedicato un grandissimo sforzo per sviluppare e migliorare i modelli GEM per il metabolismo umano.

I lavori sono iniziati sul serio con lo sviluppo di Recon1 e Edinburgh Human Metabolic Network (EHMN), che sono serviti come punto di partenza per due serie di modelli paralleli: la serie Recon (Recon1, 2 e 3D) e la serie Human Metabolic Reaction (HMR1 e 2).

Adesso questi ultimi due modelli sono stati incorporati in Human1 e sono già stati utilizzati per studiare malattie che includono disbiosi, diabete, malattie del fegato grasso e cancro.

Inoltre i ricercatori hanno dimostrato l’utilità di Human1 evidenziando potenziali vulnerabilità metaboliche nella leucemia mieloide acuta, predicendo geni essenziali per compiti metabolici specifici e stimando flussi metabolici e tassi di crescita.

Pertanto, Human1 e Metabolic Atlas rendono molto migliore la capacità di modellare i percorsi metabolici rilevanti per la salute umana e le malattie e forniscono un mezzo per consolidare gli sforzi e per perfezionare i modelli metabolici su scala genomica umana.