MRE: a web tool to suggest foreign enzymes for the biosynthesis pathway design with competing endogenous reactions in mind
- 作者
- Hiroyuki Kuwahara, Meshari Alazmi, Xuefeng Cui, Xin Gao
- 单位
- King Abdullah University of Science and Technology (KAUST), Computational Bioscience Research Center (CBRC), Thuwal, 23955, Saudi Arabia
- 杂志
- Nucleic Acids Research（2017）
- DOI
- 10.1093/nar/gkw342
- 所属领域
- 合成生物学
- 关键词
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解决的核心问题
在异源生物合成途径设计中，如何考虑宿主内源代谢系统对引入外源反应的竞争影响，从而理性设计高产的生物合成途径并推荐合适的外源酶。
研究策略
开发了名为MRE的网络服务器，构建宿主无关的已验证反应代谢网络，采用基于玻尔兹曼分布的宿主依赖反应加权方案，将竞争性内源反应纳入路径评分，并利用K最短无环路径算法穷举搜索高产合成路线，为每组异源反应推荐外源酶和竞争性内源反应信息。
核心内容
该研究开发了名为MRE的网络服务器，用于在异源生物合成途径设计中考虑宿主内源代谢系统的竞争影响。MRE构建了宿主无关的已验证反应代谢网络，采用基于玻尔兹曼分布的宿主依赖反应加权方案，将竞争性内源反应纳入路径评分，并利用K最短无环路径算法穷举搜索高产合成路线。在1000个随机可及底物-产物对测试中，n=20、K=500时平均处理时间小于10秒，95%情况下小于20秒；默认设置下最多1.36秒，显示出良好的计算效率。案例研究中，MRE成功恢复了L-酪氨酸→柚皮素、甘油→1,3-PDO、乙酰辅酶A→青蒿酸、L-酪氨酸→白藜芦醇等已知途径，并预测了竞争性内源反应，如柚皮素途径中丙二酰辅酶A参与脂肪酸合成这一竞争关系。此外，在组氨酸生物合成中预测了更短更优的路线。该工具通过提供竞争性内源反应列表，为途径去瓶颈优化提供了独到见解，与现有设计工具形成互补。
创新点
['提出宿主依赖的竞争性加权方案，基于标准化玻尔兹曼因子量化前体转化概率，反映内源竞争反应对异源途径的影响', '仅使用已验证的酶促反应和自发反应，避免预测性反应的不确定性', '为每个外源反应提供竞争性内源反应列表，指导途径去瓶颈优化', '提供物种选择和排除列表等用户友好功能，支持从大量宿主中筛选']
研究对象（8）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Escherichia coli K-12 MG1655 | 柚皮素生物合成 | TAL, 4CL, CHS, CHI | 酪氨酸解氨酶、4-香豆酸:CoA连接酶、查尔酮合成酶、查尔酮异构酶 | 催化 | EC号分别为4.3.1.23, 6.2.1.12, 2.3.1.74, 5.5.1.6 |
| Escherichia coli | 1,3-丙二醇生物合成 | glycerol dehydratase, 1,3-propanediol dehydrogenase | 甘油脱水酶、1,3-丙二醇脱氢酶 | 催化 | EC号分别为4.2.1.30, 1.1.1.202 |
| Saccharomyces cerevisiae | R-1,2-丙二醇生物合成 | 未知 | 甲基乙二醛合酶、乳醛还原酶等 | 催化 | 涉及4.2.3.3, 1.1.1.79, 1.1.1.77，途径包括甘油→DHAP→甲基乙二醛→(R)-乳醛→R-1,2-PDO |
| Saccharomyces cerevisiae | 青蒿酸生物合成 | amorphadiene synthase, CYP71AV1等 | 紫穗槐二烯合酶、细胞色素P450氧化酶等 | 催化 | 涉及2.5.1.92, 4.2.3.50, 4.2.3.82, 4.2.3.24, 1.14.13.158，利用内源甲羟戊酸途径 |
| Escherichia coli | 白藜芦醇生物合成 | TAL, 4CL, STS | 酪氨酸解氨酶、4-香豆酸:CoA连接酶、白藜芦醇合酶 | 催化 | EC号为4.3.1.23, 6.2.1.12, 2.3.1.95 |
| Escherichia coli | 木糖醇生物合成 | xylose reductase, xylitol dehydrogenase | 木糖还原酶、木糖醇脱氢酶 | 催化 | EC号1.1.1.21, 1.1.1.307 |
| Escherichia coli | 组氨酸生物合成 | 未知 | 组氨醇转氨酶 | 催化 | EC号2.6.1.27，预测了比天然途径更短的路线 |
| Saccharomyces cerevisiae | 色氨酸生物合成 | 无（天然途径） | 无 | 催化 | 预测天然途径为最佳 |
关键发现
- 在1000个随机可及底物-产物对测试中，n=20、K=500时平均处理时间小于10秒，95%情况下小于20秒，最差小于30秒；默认设置（n=8、K=50）下最多1.36秒。从KEGG中过滤出5389个完整EC反应和76个自发反应。案例研究中，MRE成功恢复了L-酪氨酸→柚皮素（4步，外源酶4.3.1.23
- 2.1.12
- 3.1.74
- 5.1.6）的已知途径，并预测竞争性内源反应为丙二酰辅酶A参与脂肪酸合成；甘油→1,3-PDO（2步，外源酶4.2.1.30
- 1.1.202）恢复已知途径；甘油→R-1,2-PDO（5步，外源酶4.2.3.3
- 1.1.79
- 1.1.77）恢复已知途径；乙酰辅酶A→青蒿酸（10步，外源酶2.5.1.92
- 2.3.50
- 2.3.82
- 2.3.24
- 14.13.158）恢复已知途径并预测更优路线；L-酪氨酸→白藜芦醇（3步，外源酶4.3.1.23
- 2.1.12
- 3.1.95）恢复已知途径；D-木糖→木糖醇（2步，外源酶1.1.1.21
- 1.1.307）恢复两条已知途径；PRPP→组氨酸（8步，外源酶2.6.1.27）预测了更短更优路线；分支酸→色氨酸（5步，无外源酶）恢复天然途径。
研究结论
MRE是一种有效的异源生物合成途径设计工具，其宿主依赖的竞争性加权方案能捕捉内源竞争反应对异源途径的影响，为途径优化提供独到见解，与现有工具形成互补。