Quantifying the metabolic capabilities of engineered Zymomonas mobilis using linear programming analysis
- 作者
- Ivi C Tsantili, M Nazmul Karim, Maria I Klapa
- 单位
- Metabolic Engineering and Systems Biology Laboratory, Institute of Chemical Engineering and High-Temperature Chemical Processes, Foundation for Research and Technology-Hellas, GR-26504, Patras, Greece; Interdepartmental Graduate Program "Mathematical Modelling in Modern Technologies and Finance", National Technical University of Athens, Zografou Campus, GR-15780, Athens, Greece; Department of Chemical Engineering, Texas Tech University, Lubbock, TX 79409, USA; Department of Chemical and Biomolecular Engineering, University of Maryland, College Park, MD 20742, USA; Present address: Department of Naval Architecture and Marine Engineering, National Technical University of Athens, Zografou Campus, GR-15780, Greece
- 杂志
- Microbial Cell Factories（2007）
- DOI
- 10.1186/1475-2859-6-8
- 所属领域
- 代谢工程
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解决的核心问题
利用线性规划分析量化工程化Zymomonas mobilis的代谢能力，确定代谢边界，理解各代谢通路间的关联及对乙醇生产的影响。
研究策略
基于基因组注释与文献重建工程化Z. mobilis代谢网络（79个反应、77个代谢物），建立化学计量模型；采用线性规划（LP）分别以辅因子、生物合成前体、乙醇和生物量最大化为目标求解，并进行单/双基因缺失模拟分析。
核心内容
该研究基于基因组注释与文献，系统重建了运动发酵单胞菌（Zymomonas mobilis）的代谢网络，包含79个反应和77个代谢物，并利用线性规划（LP）方法量化其代谢能力。研究以辅因子、生物合成前体、乙醇和生物量最大化为目标分别求解化学计量模型，并通过影子价格分析揭示关键代谢约束，同时进行单基因与双基因缺失模拟。结果表明，最大ATP产量为11.667 mol/mol葡萄糖，最大乙醇产量为1.42 mol/mol葡萄糖，若取消ATP平衡约束则可达2 mol/mol；最大生物量为129 g/mol葡萄糖。影子价格分析显示，厌氧呼吸的化学计量活性对乙醇和生物量生成起关键作用，且受ATP平衡严格约束。单基因缺失分析中，ED通路基因缺失在葡萄糖底物下使乙醇产量降为0，PPP基因缺失使乙醇产量下降11.8%，部分双缺失组合完全抑制生长。该化学计量模型为理解Z. mobilis代谢边界提供了定量框架，并为后续整合调控机制构建更真实的体内生理模型奠定基础。
创新点
首次系统重建工程化Z. mobilis代谢网络并应用LP分析定量其代谢能力；通过影子价格揭示ATP平衡和厌氧呼吸对乙醇产量的关键约束；基因缺失分析确定了影响乙醇和生物量生产的关键反应和通路。
研究对象（38）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Zymomonas mobilis | Entner-Doudoroff (E.D.) pathway | zwf | — | 催化 | 反应r2，G6P氧化为6-磷酸葡糖酸内酯 |
| Zymomonas mobilis | Entner-Doudoroff (E.D.) pathway | pgl | — | 催化 | 反应r3，6-磷酸葡糖酸内酯水解 |
| Zymomonas mobilis | Entner-Doudoroff (E.D.) pathway | edd | — | 催化 | 反应r4，6-磷酸葡糖酸脱水 |
| Zymomonas mobilis | Entner-Doudoroff (E.D.) pathway | eda | — | 催化 | 反应r5，KDPG裂解为PYR和GAP |
| Zymomonas mobilis | Embden-Meyerhof-Parnas (E.M.P) pathway | gap | — | 催化 | 反应r6，GAP氧化 |
| Zymomonas mobilis | Embden-Meyerhof-Parnas (E.M.P) pathway | pgk | — | 催化 | 反应r7，磷酸甘油酸激酶 |
| Zymomonas mobilis | Embden-Meyerhof-Parnas (E.M.P) pathway | pgm | — | 催化 | 反应r8，磷酸甘油酸变位酶 |
| Zymomonas mobilis | Embden-Meyerhof-Parnas (E.M.P) pathway | eno | — | 催化 | 反应r9，烯醇化酶 |
| Zymomonas mobilis | Embden-Meyerhof-Parnas (E.M.P) pathway | pyk | — | 催化 | 反应r10，丙酮酸激酶 |
| Zymomonas mobilis | Embden-Meyerhof-Parnas (E.M.P) pathway | pgi | — | 催化 | 反应r11，葡萄糖-6-磷酸异构酶，连接ED和PPP |
| Zymomonas mobilis | Pentose phosphate pathway (PPP) | gnd | — | 催化 | 反应r14，6-磷酸葡糖酸脱氢酶 |
| Zymomonas mobilis | Pentose phosphate pathway (PPP) | pria | — | 催化 | 反应r15，核糖-5-磷酸异构酶 |
| Zymomonas mobilis | Pentose phosphate pathway (PPP) | rpe | — | 催化 | 反应r16，核酮糖-5-磷酸3-差向异构酶 |
| Zymomonas mobilis | Pentose phosphate pathway (PPP) | tklb | — | 催化 | 反应r17和r19，转酮醇酶 |
| Zymomonas mobilis | Pentose phosphate pathway (PPP) | tal | — | 催化 | 反应r18，转醛醇酶 |
| Zymomonas mobilis | Xylose catabolism | xyla | — | 催化 | 反应r12，木糖异构酶 |
| Zymomonas mobilis | Xylose catabolism | xk | — | 催化 | 反应r13，木酮糖激酶 |
| Zymomonas mobilis | Fermentation / Pyruvate metabolism | dcp | — | 催化 | 反应r20，丙酮酸脱羧酶 |
| Zymomonas mobilis | Fermentation / Pyruvate metabolism | adha | — | 催化 | 反应r21，乙醇脱氢酶 |
| Zymomonas mobilis | Fermentation / Pyruvate metabolism | ldh | — | 催化 | 反应r23，乳酸脱氢酶 |
| Zymomonas mobilis | Fermentation / Pyruvate metabolism | pfl | — | 催化 | 反应r40，丙酮酸甲酸裂解酶 |
| Zymomonas mobilis | Incomplete (Reductive) TCA cycle | gltA | — | 催化 | 反应r28，柠檬酸合酶 |
| Zymomonas mobilis | Incomplete (Reductive) TCA cycle | aconA | — | 催化 | 反应r29，乌头酸酶 |
| Zymomonas mobilis | Incomplete (Reductive) TCA cycle | citC | — | 催化 | 反应r30，异柠檬酸脱氢酶 |
| Zymomonas mobilis | Incomplete (Reductive) TCA cycle | fumA | — | 催化 | 反应r31，延胡索酸酶 |
| Zymomonas mobilis | Incomplete (Reductive) TCA cycle | sdhC | — | 催化 | 反应r32，延胡索酸还原酶 |
| Zymomonas mobilis | Incomplete (Reductive) TCA cycle | sucD | — | 催化 | 反应r33，琥珀酰-CoA合成酶 |
| Zymomonas mobilis | Anaplerotic reactions | yqkJ | — | 催化 | 反应r34，苹果酸脱氢酶 |
| Zymomonas mobilis | Anaplerotic reactions | ppc | — | 催化 | 反应r35，磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶 |
| Zymomonas mobilis | Glycerol synthesis | tpi | — | 催化 | 反应r36，磷酸丙糖异构酶 |
| Zymomonas mobilis | Glycerol synthesis | gpsA | — | 催化 | 反应r37，甘油-3-磷酸脱氢酶 |
| Zymomonas mobilis | Xylitol synthesis | xyld | — | 催化 | 反应r39，木酮糖还原酶 |
| Zymomonas mobilis | Electron transfer system and dehydrogenases | ndh1 | — | 催化 | 反应r41，NADH脱氢酶（产质子） |
| Zymomonas mobilis | Electron transfer system and dehydrogenases | ndh2 | — | 催化 | 反应r42，NADH脱氢酶（非产质子） |
| Zymomonas mobilis | Electron transfer system and dehydrogenases | uqr | — | 催化 | 反应r44，泛醌-细胞色素c还原酶 |
| Zymomonas mobilis | Electron transfer system and dehydrogenases | atpase | — | 能量供给 | 反应r46，ATP合酶 |
| Zymomonas mobilis | Electron transfer system and dehydrogenases | — | — | 催化 | 反应r47，转氢酶（trans） |
| Zymomonas mobilis | Transport reactions | — | — | 转运 | 反应r48-49，葡萄糖/木糖摄取；r50-60为产物外排 |
关键发现
- 最大ATP产量为11.667 mol/mol葡萄糖、9 mol/mol木糖和10.333 mol/mol混合底物
- 最大乙醇产量为1.42 mol/mol葡萄糖、1.08 mol/mol木糖和1.25 mol/mol混合底物，若取消ATP平衡约束则可达2、1.667和1.833 mol/mol
- 最大生物量为129 g/mol葡萄糖、107.5 g/mol木糖和118.25 g/mol混合底物。单基因缺失分析显示，ED通路基因缺失在葡萄糖底物时使乙醇产量降为0，PPP基因缺失使乙醇产量下降11.8%，某些双缺失组合（如ED+EMP基因）完全抑制生长。
研究结论
LP分析表明，Z. mobilis的乙醇和生物量生成直接依赖于厌氧呼吸的化学计量活性，并受ATP平衡约束。该化学计量模型可作为进一步整合调控机制、建立更真实体内生理模型的基础。