Predicting stress response and improved protein overproduction in Bacillus subtilis
- 作者
- Juan D. Tibocha-Bonilla, Cristal Zuniga, Asama Lekbua, Colton Lloyd, Kevin Rychel, Katie Short, Karsten Zengler
- 杂志
- npj Systems Biology and Applications（2022）
- DOI
- 10.1038/s41540-022-00259-0
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
枯草芽孢杆菌的代谢建模中，传统基因组规模代谢模型（M模型）无法模拟蛋白质生产和分泌及其对应的蛋白质组应激响应，需构建代谢与基因表达（ME）模型来预测胁迫响应并优化蛋白质过量生产。
研究策略
基于已有的M模型iYO844，结合BsubCyc、EcoCyc等数据库，采用COBRAme框架重建了枯草芽孢杆菌168的ME模型iJT964-ME，整合转录、翻译、翻译后修饰、转运、蛋白质折叠及分泌等过程，并通过基因必需性、乙醇/盐应激转录组数据以及淀粉酶分泌实验进行验证和优化。
研究路线图
核心内容
本研究构建了枯草芽孢杆菌168首个代谢与基因表达（ME）模型iJT964-ME，基于已有M模型iYO844并结合BsubCyc、EcoCyc数据库，在COBRAme框架下整合转录、翻译、蛋白折叠及分泌等过程。模型包含964个基因、6282个反应和4208个代谢物，基因必需性预测的MCC较M模型提高34%、精确度提高40%。通过乙醇和盐胁迫转录组数据验证，模型准确预测了胁迫响应：乙醇胁迫下色氨酸合成基因上调8–20%，模拟揭示ywcA翻译贡献约65%的色氨酸合成增量，adhA和aldX贡献6.5%；盐胁迫下预测了60.4%的差异表达基因。模型还预测半胱氨酸对淀粉酶分泌的敏感度为−0.23 mmol/mmol，实验证实补充半胱氨酸降低淀粉酶活性，而高生长率（0.195 h⁻¹）下的淀粉酶分泌速率预测与实验结果吻合。该模型为枯草芽孢杆菌的应激响应机制解析和工业蛋白过量生产优化提供了有效的计算平台，有助于指导菌株改造策略的制定。
创新点
1. 首次构建枯草芽孢杆菌的ME模型iJT964-ME；2. 模型显著提升基因必需性预测能力（MCC提高34%，精确度提高40%）；3. 揭示了乙醇胁迫下色氨酸合成上调的代谢机制；4. 成功预测并实验验证了氨基酸补充对淀粉酶分泌的影响，特别是半胱氨酸的负效应。
研究对象（8）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Bacillus subtilis str. 168 | 色氨酸生物合成 | trpD, trpC, trpB, trpA, aroE, tyrA | anthranilate phosphoribosyltransferase, indole-3-glycerol-phosphate synthase, tryptophan synthase, shikimate dehydrogenase, prephenate dehydrogenase | 催化 | 乙醇胁迫下表达上调，增加色氨酸合成 |
| Bacillus subtilis str. 168 | 乙醇降解 | adhA, aldX | alcohol dehydrogenase, aldehyde dehydrogenase | 催化 | 乙醇转化为乙酸盐 |
| Bacillus subtilis str. 168 | 乙酸盐分泌 | ywcA | sodium-dependent acetate symporter | 转运 | 介导乙酸盐外排，其表达贡献约65%的色氨酸合成增量 |
| Bacillus subtilis str. 168 | 淀粉水解 | amyE | alpha-amylase | 催化 | 目标分泌蛋白，通过Sec途径分泌 |
| Bacillus subtilis str. 168 | 氧化磷酸化 | atp | ATP synthase | 能量供给 | 高生长条件下淀粉酶分泌的关键贡献反应之一 |
| Bacillus subtilis str. 168 | 氧化磷酸化 | cyor | ubiquinol-cytochrome oxidoreductase | 能量供给 | 能量代谢相关，在PCA中贡献较大 |
| Bacillus subtilis str. 168 | 盐胁迫响应 | 钠转运蛋白基因 | sodium importers/exporters | 转运 | 盐胁迫时下调钠离子输入体、上调输出体以维持离子稳态 |
| Bacillus subtilis str. 168 | 蛋白质分泌 | sec/srp/tat | Sec-SRP, SRP, Tat translocation pathways | 转运 | 负责蛋白质跨膜分泌，模型中手工注释 |
关键发现
- iJT964-ME包含964个基因、6282个反应和4208个代谢物
- 相比M模型iYO844，基因必需性预测的MCC提高34%、精确度提高40%
- 在乙醇胁迫（4% v/v）下，色氨酸合成基因上调8-20%，模拟显示ywcA翻译贡献约65%的色氨酸合成增量，adhA和aldX贡献6.5%
- 盐胁迫下模型准确预测了60.4%的差异表达基因
- 预测半胱氨酸对淀粉酶分泌的敏感度为-0.23 mmol/mmol，实验证实补充半胱氨酸降低淀粉酶活性
- 高生长率（0.195 h^-1）下预测的淀粉酶分泌速率在实验范围内，低生长率（0.04 h^-1）下高估。
研究结论
iJT964-ME模型作为枯草芽孢杆菌首个ME模型，能更准确预测基因必需性和应激响应，并有效指导蛋白质（如淀粉酶）的过量生产优化，为工业菌株改造提供计算平台。