Reconstruction and analysis of a carbon-core metabolic network for Dunaliella salina
- 作者
- Melanie Fachet, Carina Witte, Robert J. Flassig, Liisa K. Rihko-Struckmann, Zaid McKie-Krisberg, Jürgen E. W. Polle, Kai Sundmacher
- 单位
- Max Planck Institute for Dynamics of Complex Technical Systems, Process Systems Engineering, Sandtorstr. 1, 39106 Magdeburg, Germany; Brandenburg University of Applied Sciences, Department of Engineering, Magdeburger Str. 50, 14770 Brandenburg an der Havel, Germany; Brooklyn College of the City University of New York, Department of Biology, 2900 Bedford Avenue, NY 11210 New York, USA; Otto von Guericke University Magdeburg, Process Systems Engineering, Universitätsplatz 2, 39106 Magdeburg, Germany
- 杂志
- BMC Bioinformatics（2020）
- DOI
- 10.1186/s12859-019-3325-0
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
基于杜氏盐藻（Dunaliella salina）CCAP19/18的核基因组，重建其碳核心代谢网络，以理解非生物胁迫条件下β-胡萝卜素积累的胞内通量分布，并预测不同光照和营养条件下的代谢行为。
研究策略
采用自底向上的手动重建方法，将基因组注释信息与KEGG等数据库相结合，构建包含细胞质、叶绿体和线粒体三个区室的化学计量网络，在MATLAB工具箱CellNetAnalyzer中实现并进行可行性检查，通过通量平衡分析（FBA）模拟不同光照和氮营养条件。
核心内容
基于杜氏盐藻CCAP19/18的核基因组注释，本研究采用自底向上的手动重建方法，结合KEGG等数据库，构建了包含细胞质、叶绿体和线粒体三个区室的碳核心代谢网络。该网络共含221个反应和212个代谢物，在MATLAB平台的CellNetAnalyzer中实现并通过可行性检查，随后利用通量平衡分析模拟不同光照和氮营养条件下的代谢行为。网络重建中首次纳入杜氏盐藻特有的胞外α型碳酸酐酶DsCA2b以适应高盐碳获取，并提出甘油可能通过醇脱氢酶连接碳核心代谢的第二条循环途径。模拟结果显示，氮充足低光与高光条件下最大生长速率分别为0.1287 h⁻¹和0.7934 h⁻¹，氮缺乏时骤降至0.0007 h⁻¹；在同时最大化生物量和β-胡萝卜素通量时，高光氮缺乏条件下β-胡萝卜素产量预测最高可达1.5359 mmol/(g dw·h)，模型预测的β-胡萝卜素积累趋势与实验观测值（高光氮缺乏下80 mg/g dw）一致。该模型可作为研究碳通量分配和优化微藻高价值产品生产的有效工具。
创新点
首次为D. salina重建碳核心代谢网络；发现甘油可能通过醇脱氢酶（EC 1.1.1.2/1.1.1.21）连接碳核心代谢，提出可能存在第二条甘油循环；纳入杜氏盐藻特有的胞外α型碳酸酐酶（DsCA2b），以适应高盐环境下的碳获取。
研究对象（8）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Dunaliella salina CCAP19/18 | 碳获取/碳酸酐酶 | DsCA2b | 碳酸酐酶（CA, EC 4.2.1.1） | 催化 | 胞外α型碳酸酐酶，参与高盐胁迫下CO2的获取 |
| Dunaliella salina CCAP19/18 | 甘油代谢 | — | 甘油-3-磷酸脱氢酶（GPDH，EC 1.1.1.8/1.1.5.3） | 催化 | 催化磷酸二羟丙酮生成甘油-3-磷酸，NAD+依赖型定位叶绿体和胞液，泛醌依赖型结合线粒体膜 |
| Dunaliella salina CCAP19/18 | 甘油代谢 | — | 甘油激酶（EC 2.7.1.30） | 催化 | 催化甘油-3-磷酸生成甘油 |
| Dunaliella salina CCAP19/18 | 甘油代谢 | — | 醇脱氢酶（EC 1.1.1.2/1.1.1.21） | 催化 | 可能将甘油连接至碳核心代谢，构成第二条甘油循环 |
| Dunaliella salina CCAP19/18 | 卡尔文-本森-巴塞姆循环 | — | 磷酸丙糖异构酶（EC 5.3.1.1） | 催化 | PredAlgo预测定位叶绿体，参与卡尔文循环 |
| Dunaliella salina CCAP19/18 | 糖酵解 | — | 烯醇化酶（EC 4.2.1.11） | 催化 | 胞质定位，与绿藻共享的糖酵解酶 |
| Dunaliella salina CCAP19/18 | 类胡萝卜素生物合成（MEP途径） | — | MEP途径酶系及类胡萝卜素合成酶 | 催化 | 所有MEP途径酶及合成β-胡萝卜素所需的酶基因均已在基因组中发现 |
| Dunaliella salina CCAP19/18 | 脂肪酸和核酸代谢 | — | 脂肪酸合成与核酸代谢相关酶 | 催化 | 网络中包括脂肪酸和核酸代谢途径以支持生物量组成 |
关键发现
- 重建的网络包含221个反应和212个代谢物，分布于细胞质、叶绿体和线粒体三个区室。FBA预测：在氮充足低光和高光条件下，最大生长速率分别为0.1287 h^-1（3.09 d^-1）和0.7934 h^-1
- 氮缺乏时生长速率仅为0.0007 h^-1。在同时最大化生物量和β-胡萝卜素通量时，预测β-胡萝卜素产量：低光氮充足为0.6962 mmol/(g dw·h)，高光氮充足为1.2972 mmol/(g dw·h)，低光氮缺乏为0.7556 mmol/(g dw·h)，高光氮缺乏为1.5359 mmol/(g dw·h)。实验观测的β-胡萝卜素含量：低光氮缺乏30 mg/g dw，高光氮充足43 mg/g dw，高光氮缺乏80 mg/g dw，与模型预测趋势一致。
研究结论
本研究基于基因组注释重建了D. salina碳核心代谢网络，FBA预测结果与实验观测和生物学知识相符，该模型可作为研究D. salina类胡萝卜素合成过程中碳通量分配的有效工具，并有助于优化微藻高价值产品的生产过程。