Metabolic Engineering | 開發(fā)基于蛋白質(zhì)分配約束的動態(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)組的重分配是細菌應(yīng)對環(huán)境變化的常用策略[1-2]。比如,當外部營養(yǎng)條件改變時,細胞會及時調(diào)整內(nèi)部代謝活動以合成氨基酸前體等關(guān)鍵代謝物,進而引起蛋白質(zhì)組中不同種類蛋白質(zhì)(例如轉(zhuǎn)運蛋白、核糖體蛋白和代謝酶)的合成速率。我們知道,細胞內(nèi)的化學反應(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影響代謝網(wǎng)絡(luò)中通量的分布。然而,現(xiàn)有的工作對細胞代謝通量和蛋白質(zhì)分配的研究通常是單獨開展的。因此,我們對細胞如何通過交叉調(diào)控其代謝通量和蛋白質(zhì)合成以適應(yīng)不斷變化的營養(yǎng)條件這一科學問題還缺乏充分的理解。
北京時間2月2日,中國科學院深圳先進技術(shù)研究院合成生物學研究所傅雄飛團隊在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。研究團隊開發(fā)了一種名為受蛋白質(zhì)分配約束的動態(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,借助粗粒化模型[4]模擬蛋白質(zhì)資源分配的變化,并將酶對代謝反應(yīng)速率的約束與中心底物代謝速率對蛋白質(zhì)分配的調(diào)節(jié)相結(jié)合,建立了一個全面的模型,用于預測細菌對外界環(huán)境變化的響應(yīng)。這種方法的獨特之處在于,即便沒有詳盡的酶參數(shù)信息,也能成功預測大腸桿菌在面臨營養(yǎng)條件變化時代謝通量重分布的動態(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模型預測的代謝通量動力學數(shù)據(jù)與已發(fā)表的蛋白質(zhì)組數(shù)據(jù)進行比對,從而揭示了細菌是如何調(diào)整新陳代謝和蛋白質(zhì)合成以適應(yīng)不同營養(yǎng)條件變化的。研究發(fā)現(xiàn),在營養(yǎng)豐富時期,計算得到的代謝通量變化與實驗觀測到的蛋白質(zhì)水平動態(tài)變化相吻合;而在營養(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水平間的協(xié)調(diào)關(guān)系,導致了先前研究未曾關(guān)注的增長過沖效應(yīng)。
此外,研究團隊將dCAFBA方法進行了擴展,研究了有價值化合物的異源合成對細胞生長動力學的影響。他們以番茄紅素(lycopene)為例[5],模擬預測了在大腸桿菌中外源誘導表達番茄紅素合成基因后細胞生長動力學的變化。該成果為設(shè)計實時調(diào)節(jié)關(guān)鍵酶表達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微生物生理機制的理解,也為研究代謝途徑的動態(tài)調(diào)控提供了理論工具。
中國科學院深圳先進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。該研究得到國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金、中國科學院先導B類專項、廣東省基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究基金自然科學基金、深圳合成生物學創(chuàng)新研究院及深圳合成生物研究重大科技基礎(chǔ)設(shè)施等多個項目的支持。
圖1. dCAFBA方法
PI簡介:
傅雄飛,研究員,博士生導師,中國科學院深圳先進技術(shù)研究院合成生物學研究所所長,定量合成生物學重點實驗室(中國科學院)副主任,深圳合成生物學創(chuàng)新研究院副院長。
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、空間擴張生物系統(tǒng)的有序結(jié)構(gòu)設(shè)計原理等問題開展研究。
課題組現(xiàn)招聘:具有數(shù)學、物理、生物學、復雜系統(tǒng)等相關(guān)研究背景博士后、研究助理、技術(shù)員、客座學生等,歡迎感興趣的朋友聯(lián)系yang.bai@siat.ac.cn,簡歷及郵件標題注明“應(yīng)聘崗位-學校名稱-專業(yè)-姓名”。
實驗室主頁:
http://isynbio.siat.ac.cn/fulab
參考文獻:
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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