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On the identifiability of metabolic network models

Authors :
Hidde de Jong
Sara Berthoumieux
Daniel Kahn
Eugenio Cinquemani
Matteo Brilli
Modeling, simulation, measurement, and control of bacterial regulatory networks (IBIS)
Laboratoire Adaptation et pathogénie des micro-organismes [Grenoble] (LAPM)
Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Joseph Fourier - Grenoble 1 (UJF)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Joseph Fourier - Grenoble 1 (UJF)-Inria Grenoble - Rhône-Alpes
Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut Jean Roget
An algorithmic view on genomes, cells, and environments (BAMBOO)
Laboratoire de Biométrie et Biologie Evolutive - UMR 5558 (LBBE)
Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL)
Université de Lyon-Université de Lyon-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-VetAgro Sup - Institut national d'enseignement supérieur et de recherche en alimentation, santé animale, sciences agronomiques et de l'environnement (VAS)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL)
Université de Lyon-Université de Lyon-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-VetAgro Sup - Institut national d'enseignement supérieur et de recherche en alimentation, santé animale, sciences agronomiques et de l'environnement (VAS)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Inria Grenoble - Rhône-Alpes
Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)
Bioinformatique, phylogénie et génomique évolutive (BPGE)
Département PEGASE [LBBE] (PEGASE)
Université de Lyon-Université de Lyon-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-VetAgro Sup - Institut national d'enseignement supérieur et de recherche en alimentation, santé animale, sciences agronomiques et de l'environnement (VAS)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Laboratoire de Biométrie et Biologie Evolutive - UMR 5558 (LBBE)
Université de Lyon-Université de Lyon-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-VetAgro Sup - Institut national d'enseignement supérieur et de recherche en alimentation, santé animale, sciences agronomiques et de l'environnement (VAS)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
Agence Nationale de la Recherche under project MetaGenoReg [ANR-06-BYOS-0003]
ANR-06-BYOS-0003,MetaGenoReg,Comprendre l'interaction entre régulations métaboliques et régulations géniques : L'exemple du métabolisme carboné d'E. coli(2006)
Université Joseph Fourier - Grenoble 1 (UJF)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Joseph Fourier - Grenoble 1 (UJF)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Inria Grenoble - Rhône-Alpes
Inria Grenoble - Rhône-Alpes
Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Laboratoire de Biométrie et Biologie Evolutive - UMR 5558 (LBBE)
Université de Lyon-Université de Lyon-VetAgro Sup - Institut national d'enseignement supérieur et de recherche en alimentation, santé animale, sciences agronomiques et de l'environnement (VAS)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
Source :
Journal of Mathematical Biology, Journal of Mathematical Biology, Springer Verlag (Germany), 2013, 67 (6-7), pp.1795-832. ⟨10.1007/s00285-012-0614-x⟩, Journal of Mathematical Biology, 2013, 67 (6-7), pp.1795-832. ⟨10.1007/s00285-012-0614-x⟩, Journal of Mathematical Biology, 67, 6-7, pp. 1795-832, Journal of Mathematical Biology, 67, 1795-832
Publication Year :
2012
Publisher :
Springer Science and Business Media LLC, 2012.

Abstract

Item does not contain fulltext A major problem for the identification of metabolic network models is parameter identifiability, that is, the possibility to unambiguously infer the parameter values from the data. Identifiability problems may be due to the structure of the model, in particular implicit dependencies between the parameters, or to limitations in the quantity and quality of the available data. We address the detection and resolution of identifiability problems for a class of pseudo-linear models of metabolism, so-called linlog models. Linlog models have the advantage that parameter estimation reduces to linear or orthogonal regression, which facilitates the analysis of identifiability. We develop precise definitions of structural and practical identifiability, and clarify the fundamental relations between these concepts. In addition, we use singular value decomposition to detect identifiability problems and reduce the model to an identifiable approximation by a principal component analysis approach. The criterion is adapted to real data, which are frequently scarce, incomplete, and noisy. The test of the criterion on a model with simulated data shows that it is capable of correctly identifying the principal components of the data vector. The application to a state-of-the-art dataset on central carbon metabolism in Escherichia coli yields the surprising result that only 4 out of 31 reactions, and 37 out of 100 parameters, are identifiable. This underlines the practical importance of identifiability analysis and model reduction in the modeling of large-scale metabolic networks. Although our approach has been developed in the context of linlog models, it carries over to other pseudo-linear models, such as generalized mass-action (power-law) models. Moreover, it provides useful hints for the identifiability analysis of more general classes of nonlinear models of metabolism. 01 december 2013

Details

ISSN :
14321416 and 03036812
Volume :
67
Database :
OpenAIRE
Journal :
Journal of Mathematical Biology
Accession number :
edsair.doi.dedup.....d15441ce3e99550822820ed1714f25fb
Full Text :
https://doi.org/10.1007/s00285-012-0614-x