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13c-metabolic-flux

정상 상태의 탄소 13 추적 측정값으로 세포 내 대사 플럭스를 추정합니다. 탄소 원자 매핑과 측정 입력을 점검하고 표지 분포를 모의한 뒤, 데이터가 제약할 수 있는 경로 반응 속도를 평가합니다.

원문원문 설명 보기

Estimates intracellular metabolic fluxes from steady-state carbon-13 isotope-tracing measurements using validated atom maps, mfapy isotope simulation, constrained multistart fitting, and flux-profile diagnostics. Use for 13C-MFA, carbon tracing, mass isotopomer distributions (MDVs/MIDs), positional isotopomers, parallel tracer experiments, and determining whether labeling data constrain a pathway flux. Distinguishes measured-label inference from COBRA flux balance analysis and flags experiments requiring nonstationary MFA.

실행 점수 미검증

설치 방법 보기

이럴 때 유용합니다

  • 탄소 13 측정값으로 대사 플럭스 추정
  • 원자 매핑과 측정 입력의 일관성 확인
  • 지정한 플럭스로 표지 분포 예측
  • 측정값이 경로 분기를 제약하는지 확인
  • 병렬 추적 실험을 함께 추정

한국어 소개

할 수 있는 일

이 스킬은 탄소 13으로 표지한 분자의 측정값을 바탕으로 세포 내 대사 플럭스, 즉 물질이 반응을 통과하는 속도를 추정합니다. 탄소 원자의 이동을 나타내는 매핑과 측정 오차를 점검하고, mfapy로 표지 분포를 모의합니다. 제약 조건 안에서 여러 초기값을 사용해 플럭스를 추정한 다음, 잔차와 플럭스별 진단 결과를 통해 데이터가 제약할 수 있는 반응과 아직 해결되지 않은 반응을 정리합니다.

이럴 때 유용합니다

대사 경로의 분기 비율을 살펴보거나, 측정값이 특정 반응 속도를 충분히 제약하는지 확인할 때 사용할 수 있습니다. 여러 추적 실험을 동일한 대사 상태로 설명할 수 있다면 함께 추정할 수도 있습니다.

사용 예시

  • “이 원자 매핑표와 측정 JSON이 서로 일치하는지, 물질 수지가 맞는지 확인해 주세요.”
  • “지정한 플럭스에서 표지 분포를 예측해 주세요.”
  • “분기 플럭스를 추정하고, 측정값으로 좁힐 수 있는 범위와 해결되지 않은 부분을 보여 주세요.”

주의 사항

대사와 동위원소 표지가 모두 정상 상태라는 전제가 필요합니다. 시간에 따른 비정상 상태 분석과 원시 스펙트럼 전처리는 지원하지 않습니다. 절대 속도를 구하려면 세포 외 속도와 같은 기준값이 필요합니다. 설치에는 Python 3.12, uv, Git과 지정된 의존성 환경을 사용하며, 추론은 로컬에서 실행됩니다. 포함된 모델은 시연용이며 특정 생물종에 적합하다고 보장되지 않습니다.

이 소개문은 공개된 SKILL.md를 바탕으로 AI(OpenAI Codex)가 작성했습니다. 정확한 사양은 아래 원문을 확인하세요.

문서 점검

AI가 SKILL.md의 내용에서 주의가 필요한 작업과 도입 전제를 확인했습니다. 점수는 실제로 실행한 결과(실행 검증)만으로 매깁니다.

안전성전송·삭제·명령 실행 등을 명시하고 있는가
A양호추론은 로컬에서 실행되며, 의존성 설치 시 빌드 코드가 실행된다고 적혀 있습니다.
도입의 용이성필요한 도구나 API 키가 적고 적혀 있는가
B일부 부족Python 3.12, uv, Git 및 의존성 설치 절차가 명시되어 있습니다.

점수에는 넣지 않았습니다. 2026년 10월 24일 기준으로 AI(OpenAI Codex)가 판정했습니다. 참고용이므로 설치 전에 원문도 확인해 주세요.

평가가 다르다고 생각되면 재검토를 요청하기

어느 항목이 왜 다르다고 생각하는지 적어 주세요. 로그인은 필요 없습니다. SKILL.md와 대조해 평가를 다시 만들고 이곳에 반영합니다.

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포함된 파일(16)

  • SKILL.md12.4 KB
  • assets/branch-fluxes.json69 B
  • assets/branch-identifiable.json823 B
  • assets/branch-model.json2.1 KB
  • assets/branch-unresolved.json978 B
  • assets/mfapy-license.txt1.0 KB
  • assets/requirements.txt136 B
  • assets/tca-fluxes.json114 B
  • assets/tca-model.json4.1 KB
  • assets/tca-reference-mdv.json2.4 KB
  • assets/tca-tracer.json570 B
  • references/inference.md9.9 KB
  • references/input-contract.md8.0 KB
  • scripts/_mfa_fit.py13.3 KB
  • scripts/_mfa_model.py20.5 KB
  • scripts/mfa.py4.3 KB

SKILL.md(원문)

설치하기 전에 에이전트에게 전달되는 지시 내용을 확인할 수 있습니다.

Carbon-13 metabolic flux inference

Turn reviewed carbon maps, explicit tracer mixtures, and corrected labeling measurements into feasible flux estimates and evidence about which fluxes the experiment constrains. Use the bundled solver rather than reconstructing isotope balances or fitting each reaction independently. It runs mfapy's EMU forward simulator and fits fluxes in the mass-balanced feasible space with SciPy. It does not use an FBA objective.

Scope and required evidence

This implementation supports metabolic and isotopic steady state, a single shared flux state across one or more tracer experiments, nonnegative one-way reaction fluxes, and carbon-subset mass distributions. Reversible reactions are two separately mapped directions. Measurement error is Gaussian with a supplied covariance or a disclosed diagonal approximation.

Before fitting, obtain:

  • The carbon network and the source of each atom assignment. Stoichiometry alone does not specify where labeled atoms go. Record compartments as separate metabolite IDs.
  • Evidence for both steady-state assumptions. Stable metabolite abundance does not establish isotopic steady state. Time-course labeling requires INST-MFA with pool sizes and initial labeling; do not average it into this solver.
  • Every carbon input's positional isotopomer distribution, including unlabeled supplements, bicarbonate/CO2 when assimilated, and tracer impurity.
  • Fragment carbon assignments, natural-abundance correction history, and uncertainty of the reported mean. Raw peak intensities, derivatized spectra, and MS/MS transitions require validated preprocessing before these inputs can be constructed.
  • Flux units, extracellular rate measurements or a stated relative-flux reference, and biologically justified bounds. Label fractions alone cannot set an absolute rate.

If necessary information is missing, name it and prepare the input template; do not invent a fragment assignment, atom map, isotope correction, or measurement error. Read references/input-contract.md when preparing inputs. Read references/inference.md before interpreting an actual fit.

Install the tested engine

Run in the user's analysis directory. Set SKILL_DIR to this skill's installed directory, using the actual resolved path. Keep environments and generated results outside the skill.

uv venv --python 3.12 .venv-mfa
uv pip install --python .venv-mfa/bin/python -r "$SKILL_DIR/assets/requirements.txt"

The following commands use .venv-mfa/bin/python; on Windows use the environment's Scripts/python.exe. mfapy is installed from an immutable Git revision because it is not distributed on PyPI. Installation executes dependency build code; model inputs are data, not user-supplied Python. The adapter restricts identifiers and atom-map syntax before they reach mfapy's internally generated numerical functions.

The pinned commit matched upstream master on 2026-09-30. Its README labels the latest change "064", but its installed distribution still reports 0.6.3; retain the Git commit alongside the package version in an analysis record. The refreshed NumPy/SciPy pins require Python 3.12 or later; the commands above use the tested 3.12 environment. See the reviewed forward-model contract in references/inference.md.

Workflow

  1. Prepare explicit inputs. Copy a relevant model asset into the analysis directory, then replace its scientific content only from reviewed evidence. The bundled models are demonstrations, not validated organism-specific reconstructions. Use a separate dataset for each biological condition; jointly fit tracer replicates only when their biological flux state is defensibly shared.

  2. Check the contract and feasibility.

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

    This checks atom counts and conservation, fragments, tracer sums, uncertainty matrices, bounds, and steady-state mass-balance feasibility. It cannot verify that a chemically consistent atom map is biologically correct or that a sample reached steady state.

  3. Exercise the forward model. Supply one mass-balanced flux vector in the declared units. Compare predicted labeling with a reference or independently derived limits.

    .venv-mfa/bin/python "$SKILL_DIR/scripts/mfa.py" simulate \
      --model model.json --data measurements.json --fluxes fluxes.json \
      --output simulated-mdvs.json
    
  4. Fit and profile the fluxes relevant to the question.

    .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
    

    Replace v3 and v7 with actual reaction IDs. Each profile point fixes that reaction and reoptimizes nuisance fluxes. For nonlinear networks, repeat with a different seed and more starts before interpreting a profile. A small residual is not an identifiability result.

  5. Inspect the evidence. Check failed starts, residual patterns, mass balance, active bounds, local sensitivity rank, and profile status. Report threshold-crossing brackets at their actual grid resolution. Refine the grid if they are too coarse. Each requested profile gives a one-flux interval under the stated error model; multiple 95% profiles are not a simultaneous 95% region for the whole network. If a profile finds a better solution than the baseline, rerun the fit; do not publish the stale intervals. A failed profile point is unknown, not excluded by the data.

  6. Deliver a bounded scientific result. Include model and data hashes, package versions, source/correction provenance, units and reference flux, fitted predictions, residual diagnostics, profile plots or a table, and the unresolved flux combinations. Retain the JSON artifact. Separate point estimates supported by the data from arbitrary optimizer choices along a flat direction. Suggest additional measurements only after testing that their predicted labeling changes along that direction.

Worked examples

These executable examples use synthetic, tracer-only data. There is no hidden natural- abundance correction, and the tracer proportions already include unlabeled material.

Recover a pathway split; then remove the informative measurement

The analytical two-route model sends a two-carbon substrate through either a carbon-preserving or a carbon-swapping route. Uptake is fixed to 100. An 80% carbon-1 labeled feed and a carbon-1 fragment with M+1 = 0.56 determine the preserving route as 70 and the swapping route as 30.

.venv-mfa/bin/python "$SKILL_DIR/scripts/mfa.py" fit \
  --model "$SKILL_DIR/assets/branch-model.json" \
  --data "$SKILL_DIR/assets/branch-identifiable.json" \
  --profile straight --profile-points 41 --output branch-fit.json

.venv-mfa/bin/python "$SKILL_DIR/scripts/mfa.py" fit \
  --model "$SKILL_DIR/assets/branch-model.json" \
  --data "$SKILL_DIR/assets/branch-unresolved.json" \
  --profile straight --output unresolved-fit.json

The first fit recovers approximately 70/30. Under its declared Gaussian error model, the analytical 95% interval for straight is about 67.55–72.45; the script reports grid brackets enclosing the threshold crossings. The second fit has only the whole- molecule distribution, which is identical for the two routes. Expect local rank zero and unresolved_within_bounds; its returned split is an arbitrary optimum.

assets/branch-fluxes.json supplies the 70/30 forward-simulation vector.

Reproduce a published cyclic-network calculation

.venv-mfa/bin/python "$SKILL_DIR/scripts/mfa.py" simulate \
  --model "$SKILL_DIR/assets/tca-model.json" \
  --data "$SKILL_DIR/assets/tca-tracer.json" \
  --fluxes "$SKILL_DIR/assets/tca-fluxes.json" --output tca-simulation.json

.venv-mfa/bin/python "$SKILL_DIR/scripts/mfa.py" fit \
  --model "$SKILL_DIR/assets/tca-model.json" \
  --data "$SKILL_DIR/assets/tca-reference-mdv.json" \
  --profile v3 --profile v7 --output tca-fit.json

The first command reproduces the published rounded glutamate MDV [0.3464, 0.2695, 0.2708, 0.0807, 0.0286, 0.0039]. The second uses synthetic reference measurements to recover the glutamate branch flux near 50, while recognizing that this labeling does not resolve the fumarate/oxaloacetate exchange. A constraint-induced upper edge is not evidence of a measurement-determined exchange interval.

Interpretation boundaries

  • A positional isotopomer string runs carbon 1 to carbon N from left to right. "100000" means carbon-1 labeled glucose. A mass distribution alone cannot specify that positional mixture. The adapter handles mfapy's reversed integer-bit ordering.
  • Natural-abundance correction and tracer-purity correction are different operations. Inputs must be in the documented tracer-only basis, with tracer impurity represented consistently in source mixtures. Do not correct the same contribution twice.
  • An N-carbon mass distribution has at most N independent components because it sums to one. The tool removes one bin and uses the reduced covariance. Retain cross-bin correlations when available. Diagonal SEM fits are explicitly approximate.
  • The symmetric flag means equal averaging of identity and complete carbon-order reversal, as in the bundled fumarate/succinate map. It is not arbitrary molecular symmetry. Other permutations need an explicitly supported model representation.
  • Unsupported in this CLI: nonstationary MFA, isotope effects on reaction rates, unmodeled pools or compartments, MS/MS joint distributions, multi-element isotope correction, fractional carbon stoichiometry/pseudo-reactions, and organism-scale performance guarantees. For these, use a validated specialized model/engine and retain the same input/provenance and identifiability discipline.

Implementation and validation

scripts/mfa.py is the CLI. scripts/_mfa_model.py validates inputs and adapts them to the mfapy EMU simulator; scripts/_mfa_fit.py handles feasible flux coordinates, multistart optimization, diagnostic rank, and profile calculations. The engine is pinned in assets/requirements.txt.

The repository suite at tests/13c-metabolic-flux/ checks the published reference, analytical split recovery and likelihood profiles, unresolved routes and exchange, omitted-bin invariance with correlated errors, parallel tracers, absolute-rate anchoring, repeated-substrate condensation, symmetry, invalid maps, and CLI behavior. These checks establish the tested numerical behavior, not biological validation of a user's model or a measured advantage over any particular language model.

Sources

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