Metabolic Engineering | 開發(fā)基于蛋白質(zhì)分配約束的動(dòng)態(tài)流平衡分析新方法-dCAFBA
微生物總是生活在不斷變化的環(huán)境中。為了生存,細(xì)菌建立了適應(yīng)這些變化的能力。其中,代謝通量的重排和蛋白質(zhì)組的重分配是細(xì)菌應(yīng)對(duì)環(huán)境變化的常用策略[1-2]。比如,當(dāng)外部營(yíng)養(yǎng)條件改變時(shí),細(xì)胞會(huì)及時(shí)調(diào)整內(nèi)部代謝活動(dòng)以合成氨基酸前體等關(guān)鍵代謝物,進(jìn)而引起蛋白質(zhì)組中不同種類蛋白質(zhì)(例如轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白、核糖體蛋白和代謝酶)的合成速率。我們知道,細(xì)胞內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)絕大多數(shù)屬于酶促反應(yīng)。因此,蛋白質(zhì)組中各蛋白組分的重分配反過來又會(huì)影響代謝網(wǎng)絡(luò)中通量的分布。然而,現(xiàn)有的工作對(duì)細(xì)胞代謝通量和蛋白質(zhì)分配的研究通常是單獨(dú)開展的。因此,我們對(duì)細(xì)胞如何通過交叉調(diào)控其代謝通量和蛋白質(zhì)合成以適應(yīng)不斷變化的營(yíng)養(yǎng)條件這一科學(xué)問題還缺乏充分的理解。
北京時(shí)間2月2日,中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院合成生物學(xué)研究所傅雄飛團(tuán)隊(duì)在Metabolic Engineering上發(fā)表題為Cross-regulation between proteome reallocation and metabolic flux redistribution governs bacterial growth transition kinetics研究成果。研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種名為受蛋白質(zhì)分配約束的動(dòng)態(tài)流平衡分析新方法(dCAFBA)(圖1)。該方法利用代謝流平衡方法[3]描繪代謝狀態(tài)的改變,借助粗?;P?/span>[4]模擬蛋白質(zhì)資源分配的變化,并將酶對(duì)代謝反應(yīng)速率的約束與中心底物代謝速率對(duì)蛋白質(zhì)分配的調(diào)節(jié)相結(jié)合,建立了一個(gè)全面的模型,用于預(yù)測(cè)細(xì)菌對(duì)外界環(huán)境變化的響應(yīng)。這種方法的獨(dú)特之處在于,即便沒有詳盡的酶參數(shù)信息,也能成功預(yù)測(cè)大腸桿菌在面臨營(yíng)養(yǎng)條件變化時(shí)代謝通量重分布的動(dòng)態(tài)變化過程。因此,該模型具有廣泛的應(yīng)用潛力。
深入研究中,科研人員將dCAFBA模型預(yù)測(cè)的代謝通量動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)與已發(fā)表的蛋白質(zhì)組數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì),從而揭示了細(xì)菌是如何調(diào)整新陳代謝和蛋白質(zhì)合成以適應(yīng)不同營(yíng)養(yǎng)條件變化的。研究發(fā)現(xiàn),在營(yíng)養(yǎng)豐富時(shí)期,計(jì)算得到的代謝通量變化與實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到的蛋白質(zhì)水平動(dòng)態(tài)變化相吻合;而在營(yíng)養(yǎng)匱乏階段,則揭示了一種由碳攝取蛋白向代謝酶轉(zhuǎn)化的代謝瓶頸切換現(xiàn)象。這種切換破壞了代謝通量與蛋白表達(dá)水平間的協(xié)調(diào)關(guān)系,導(dǎo)致了先前研究未曾關(guān)注的增長(zhǎng)過沖效應(yīng)。
此外,研究團(tuán)隊(duì)將dCAFBA方法進(jìn)行了擴(kuò)展,研究了有價(jià)值化合物的異源合成對(duì)細(xì)胞生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)的影響。他們以番茄紅素(lycopene)為例[5],模擬預(yù)測(cè)了在大腸桿菌中外源誘導(dǎo)表達(dá)番茄紅素合成基因后細(xì)胞生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)的變化。該成果為設(shè)計(jì)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)關(guān)鍵酶表達(dá)的遺傳回路以及提高代謝產(chǎn)物產(chǎn)量提供了重要的模型工具。
該研究揭示了微生物如何精巧地調(diào)控其內(nèi)部代謝網(wǎng)絡(luò)和蛋白質(zhì)合成這一耦合系統(tǒng),以適應(yīng)不斷變化的環(huán)境條件。研究中開發(fā)的dCAFBA方法不僅有助于深化我們對(duì)微生物生理機(jī)制的理解,也為研究代謝途徑的動(dòng)態(tài)調(diào)控提供了理論工具。
中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)院合成所研究員傅雄飛和副研究員白陽為該文章的共同通訊作者,助理研究員袁慧麗和副研究員白陽為該文章的共同第一作者,合成所副研究員李雪飛在模型分析工作中做出了重要貢獻(xiàn)。該研究得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、中國(guó)科學(xué)院先導(dǎo)B類專項(xiàng)、廣東省基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究基金自然科學(xué)基金、深圳合成生物學(xué)創(chuàng)新研究院及深圳合成生物研究重大科技基礎(chǔ)設(shè)施等多個(gè)項(xiàng)目的支持。
圖1. dCAFBA方法
PI簡(jiǎn)介:
傅雄飛,研究員,博士生導(dǎo)師,中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院合成生物學(xué)研究所所長(zhǎng),定量合成生物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(中國(guó)科學(xué)院)副主任,深圳合成生物學(xué)創(chuàng)新研究院副院長(zhǎng)。
課題組主要研究方向:通過定量理論與合成重構(gòu)結(jié)合,圍繞胞內(nèi)基因回路與底盤相互作用、空間擴(kuò)張生物系統(tǒng)的有序結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理等問題開展研究。
課題組現(xiàn)招聘:具有數(shù)學(xué)、物理、生物學(xué)、復(fù)雜系統(tǒng)等相關(guān)研究背景博士后、研究助理、技術(shù)員、客座學(xué)生等,歡迎感興趣的朋友聯(lián)系yang.bai@siat.ac.cn,簡(jiǎn)歷及郵件標(biāo)題注明“應(yīng)聘崗位-學(xué)校名稱-專業(yè)-姓名”。
實(shí)驗(yàn)室主頁:
http://isynbio.siat.ac.cn/fulab
參考文獻(xiàn):
1. Jens Nilsen (2003) It is all about metabolic fluxes. Journal of Bacteriology 185, 7031-7035.
2. You CH, et al. (2013) Coordination of bacterial proteome with metabolism by cyclic AMP
signalling. Nature 500(7462):301-306.
3. Orth, J. D., Thiele, I. & Palsson, B. O. What is flux balance analysis? Nature Biotechnology 28,
245-248 (2010).
4. Erickson DW, et al. (2017) A global resource allocation strategy governs growth transition
kinetics of Escherichia coli. Nature 551(7678):119-+.\
5. Choi, H.S., et al., <i>In Silico</i> Identification of Gene Amplification Targets for Improvement of Lycopene Production. Applied and Environmental Microbiology, 2010. 76(10): p. 3097-3105.
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