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Skill 广场13c-metabolic-flux

13c-metabolic-flux

数据与分析

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更新于 10-21 16:25

技能介绍

用途

该技能将经过审阅的碳原子映射、明确的示踪剂混合物以及校正后的标记测量数据，转化为可行的代谢通量估计，并给出实验对哪些通量具有约束力的证据。它使用捆绑的求解器，而不是自行重建同位素平衡或逐反应独立拟合。求解器运行 mfapy 的 EMU 前向模拟器，并使用 SciPy 在质量平衡的可行空间内拟合通量，不使用 FBA 目标函数。

主要能力

该实现支持：代谢与同位素稳态；一个或多个示踪实验共享单一通量状态；非负单向反应通量；碳子集质量分布。可逆反应被映射为两个独立方向。测量误差为高斯分布，需提供协方差矩阵或披露的对角近似。

使用方式

安装

在用户的分析目录中运行。将 SKILL_DIR 设为该技能的实际安装目录，使用解析后的真实路径。环境与生成结果应放在技能目录之外。

uv venv --python 3.11 .venv-mfa
uv pip install --python .venv-mfa/bin/python -r "$SKILL_DIR/assets/requirements.txt"

以下命令使用 .venv-mfa/bin/python；在 Windows 上使用环境的 Scripts/python.exe。mfapy 从不可变的 Git 修订版安装，因为它未在 PyPI 上分发。安装会执行依赖构建代码；模型输入是数据，不是用户提供的 Python。适配器在标识符和原子映射语法进入 mfapy 内部生成的数值函数之前对其进行限制。

工作流

  1. 准备明确输入。将相关模型资产复制到分析目录，然后仅根据经过审阅的证据替换其科学内容。捆绑模型是演示，不是经过验证的特定生物体重建。每个生物学条件使用单独数据集；仅当示踪剂重复实验的生物学通量状态可辩护地共享时，才联合拟合。

  2. 检查契约与可行性：

.venv-mfa/bin/python "$SKILL_DIR/scripts/mfa.py" check \
  --model model.json --data measurements.json --output input-check.json

该命令检查原子计数与守恒、片段、示踪剂总和、不确定性矩阵、边界以及稳态质量平衡可行性。它无法验证化学一致的原子映射在生物学上是否正确，也无法验证样本是否达到稳态。

  1. 运行前向模型。提供一个以声明单位表示的质量平衡通量向量，将预测标记与参考或独立推导的界限进行比较：
.venv-mfa/bin/python "$SKILL_DIR/scripts/mfa.py" simulate \
  --model model.json --data measurements.json --fluxes fluxes.json \
  --output simulated-mdvs.json
  1. 拟合并剖析与问题相关的通量：
.venv-mfa/bin/python "$SKILL_DIR/scripts/mfa.py" fit \
  --model model.json --data measurements.json --starts 12 --seed 2026 \
  --profile v3 --profile v7 --profile-points 31 --profile-starts 6 \
  --output fit.json

将 v3 和 v7 替换为实际反应 ID。每个剖析点固定该反应并重新优化冗余通量。对于非线性网络，在解释剖析结果前，用不同种子和更多起始点重复。小残差不是可识别性结果。

  1. 检查证据。检查失败的起始点、残差模式、质量平衡、活跃边界、局部敏感度秩以及剖析状态。以实际网格分辨率报告阈值穿越区间。若网格过粗则细化。若剖析找到比基线更好的解，重新运行拟合；不要发布过时区间。失败的剖析点是未知，不是被数据排除。

  2. 交付有界科学结果。包括模型与数据哈希、包版本、来源/校正溯源、单位与参考通量、拟合预测、残差诊断、剖析图或表格，以及未解决的通量组合。保留 JSON 产物。将数据支持的点估计与平坦方向上任意优化器选择分开。仅在测试额外测量的预测标记沿该方向变化后，才建议增加测量。

适用场景

  • 从稳态碳-13同位素示踪测量估计细胞内代谢通量。
  • 评估实验对哪些通量具有约束力。
  • 复现已发表的环状网络计算（如 TCA 网络示例）。
  • 恢复通路分支比例并检验可识别性。

限制

拟合前必须获得：碳网络与每个原子归属的来源（仅化学计量无法指定标记原子去向，区室应记录为独立代谢物 ID）；两个稳态假设的证据（稳定代谢物丰度不能确立同位素稳态；时间过程标记需要 INST-MFA 与池大小和初始标记，不要将其平均到本求解器）；每个碳输入的位置同位素分布，包括未标记补充物、同化的碳酸氢盐/CO2 以及示踪剂杂质；片段碳归属、自然丰度校正历史以及报告均值的不确定性（原始峰强度、衍生化谱和 MS/MS 跃迁需要经过验证的预处理）；通量单位、细胞外速率测量或声明的相对通量参考，以及生物学上合理的边界（仅标记分数无法设定绝对速率）。若必要信息缺失，应指出并准备输入模板；不要编造片段归属、原子映射、同位素校正或测量误差。

本 CLI 不支持：非稳态 MFA、反应速率的同位素效应、未建模的池或区室、MS/MS 联合分布、多元素同位素校正、分数碳化学计量/伪反应以及生物体规模性能保证。对于这些，应使用经过验证的专用模型/引擎，并保持相同的输入/溯源与可识别性纪律。

实现与验证

scripts/mfa.py 是 CLI。scripts/_mfa_model.py 验证输入并将其适配到 mfapy EMU 模拟器；scripts/_mfa_fit.py 处理可行通量坐标、多起点优化、诊断秩和剖析计算。引擎固定在 assets/requirements.txt 中。

tests/13c-metabolic-flux/ 中的仓库测试套件检查已发表参考、解析分支恢复与似然剖析、未解决路径与交换、带相关误差的省略箱不变性、平行示踪剂、绝对速率锚定、重复底物缩合、对称性、无效映射以及 CLI 行为。这些检查确立的是经过测试的数值行为，而非用户模型的生物学验证或相对于任何特定语言模型的测量优势。

来源

mfapy 源代码位于测试修订版，版本 0.6.3；API 文档。Matsuda 等（2021），mfapy：用于基于 13C 的代谢通量分析的开源 Python 包。Antoniewicz、Kelleher 和 Stephanopoulos（2007），基本代谢单元（EMU）：建模同位素分布的新框架。TCA 网络改编自 mfapy 的 MIT 许可示例文件；归属和完整声明在 assets/mfapy-license.txt 中。

智能体操作程序

检查环境：确认工具版本、参考基因组/注释构建以及输入格式（FASTQ、BAM、VCF、h5ad）。确定输入：从数据或用户确认格式、标识符和参数；对任何改变结果的值应询问而非猜测。先运行小版本：先在小样本（一个样本、一条染色体、几千个细胞）上运行流程。使用上述说明和参考执行完整任务。验证结果：在解释结果前检查 QC 指标、样本身份、基因组构建一致性和批次效应。报告：说明运行了什么（版本、命令、参数）、检查了什么以及仍不确定的内容。

若输入之间基因组构建或标识符不匹配，停止并协调（liftover、ID 映射）后再继续。若这些说明中的函数、标志或端点不在已安装版本中，检查已安装版本自己的文档（help()、--help、官方文档），调整并告知用户。绝不编造 API。若所需输入、标识符或参数不明确，询问用户，或在运行前明确说明假设。

完整性规则

绝不编造结果、参数、标识符、引用或统计量。若某事物无法运行或验证，应明确说明。不要超出统计支持范围解释生物学意义；报告多重检验校正。将此处版本特定细节视为可能过时：对照已安装版本的官方文档确认。在涉及花钱、消耗共享 GPU 或云配额、接触个人或患者数据或不可撤销的操作前，先询问。

相关技能

cobrapy：使用 COBRApy（Python，import cobra）对 SBML、JSON、YAML 或 MATLAB 格式的基因组规模模型运行基于约束的代谢建模。