Metabolic model of Syneococcus sp. PCC 7002: prediction of flux distribution and network modification for enhanced biofuel production
- 作者
- John I. Hendry, Charulata B. Prasannan, Aditi Joshi, Santanu Dasgupta, Pramod P. Wangikar
- 单位
- Department of Chemical Engineering, Indian Institute of Technology Bombay, Mumbai-400076, India; DBT-Pan IIT Center for Bioenergy, Indian Institute of Technology Bombay, Mumbai-400076, India; Wadhwani Research Center for Bioengineering, Indian Institute of Technology Bombay, Mumbai-400076, India; Reliance Technology Group, Reliance Industries Limited, Reliance Corporate Park, Ghansoli, Navi Mumbai-400701, India
- 杂志
- Bioresource Technology（2016）
- DOI
- 10.1016/j.biortech.2016.02.128
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
针对快速生长蓝藻Synechococcus sp. PCC 7002，如何通过基因组尺度代谢模型预测通量分布并设计网络改造策略，以增强乙醇和丁醇等生物燃料的生产。
研究策略
构建并验证更新版基因组尺度代谢模型（isyp728），利用通量平衡分析（FBA）模拟光自养、甘油异养和混合营养条件下的通量分布；通过基因必需性和合成致死分析评估代谢鲁棒性；采用最小代谢调整（MOMA）系统预测单反应和双反应敲除对乙醇和丁醇过生产的影响。
核心内容
该研究构建了蓝藻Synechococcus sp. PCC 7002的更新版基因组尺度代谢模型isyp728，包含742个反应、728个基因和7个区室，细化了脂肪酸去饱和及类胡萝卜素合成途径。利用通量平衡分析模拟光自养、甘油异养和混合营养条件下的通量分布，并结合基因必需性、合成致死分析及最小代谢调整策略，系统评估了单反应和双反应敲除对乙醇和丁醇生产的影响。模型预测自养生长速率为0.18 h⁻¹，与实验值吻合，光合商为1.5；异养条件下TCA循环为主要还原力来源。基因必需性分析显示约45.7%的基因在所有条件下均为必需。MOMA预测单敲除谷氨酸脱氢酶时丁醇产率为0.026 mmol/gDW/h，双敲除可提升至0.047 mmol/gDW/h，但无论单还是双敲除，固定碳向乙醇和丁醇的理论最大转化率均仅约10%。结果表明该蓝藻的碳流重定向能力受限，为生物燃料代谢工程改造提供了系统层面的定量约束认知。
创新点
['构建了包含742个反应、728个基因和7个区室（羧酶体、细胞质、细胞质膜、细胞外、周质、类囊体腔、类囊体膜）的更新版GSMM，细化了脂肪酸去饱和和类胡萝卜素合成途径。', '首次系统比较了Synechococcus sp. PCC 7002在自养、甘油异养和混合营养条件下的通量分布及代谢鲁棒性差异。', '通过全对双反应敲除分析（约60000对），预测双敲除最多仅能将约10%的固定碳转移至乙醇和丁醇生产。']
研究对象（14）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Synechococcus sp. PCC 7002 | 氮代谢 | — | 谷氨酸脱氢酶 | 催化 | 敲除该酶可增强乙醇和丁醇生产 |
| Synechococcus sp. PCC 7002 | 丙酮酸代谢 | — | 丙酮酸脱氢酶 | 催化 | 异源添加以生产乙醇 |
| Synechococcus sp. PCC 7002 | 丁醇生物合成 | — | 丁醇合成途径酶（来自Lan和Liao） | 催化 | 异源途径 |
| Synechococcus sp. PCC 7002 | 光合电子传递 | — | 光系统I和光系统II | 能量供给 | 产生ATP和NADPH |
| Synechococcus sp. PCC 7002 | 光合电子传递/循环电子流 | — | NDH-1复合体 | 能量供给 | 参与循环电子流产生ATP |
| Synechococcus sp. PCC 7002 | 光合电子传递 | — | 铁氧还蛋白-NADP+氧化还原酶 | 催化 | 异养条件下反向产生还原性铁氧还蛋白 |
| Synechococcus sp. PCC 7002 | 卡尔文循环 | — | Rubisco | 催化 | CO2固定 |
| Synechococcus sp. PCC 7002 | 三羧酸循环 | — | 2-氧代戊二酸脱羧酶（2OGDC） | 催化 | TCA循环非完整步骤 |
| Synechococcus sp. PCC 7002 | 三羧酸循环 | — | 琥珀酸半醛脱氢酶（SSALY） | 催化 | TCA循环非完整步骤 |
| Synechococcus sp. PCC 7002 | 甘油代谢 | — | 甘油激酶 | 催化 | 甘油进入代谢的起点 |
| Synechococcus sp. PCC 7002 | 甘油代谢 | — | 甘油-3-磷酸脱氢酶 | 催化 | NADP+依赖性 |
| Synechococcus sp. PCC 7002 | 碳固定/回补途径 | — | 磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶 | 催化 | 异养/混合条件下TCA循环回补 |
| Synechococcus sp. PCC 7002 | 磷酸戊糖途径 | — | 转酮醇酶 | 催化 | 产生E4P和XU5P |
| Synechococcus sp. PCC 7002 | 糖原合成 | SYNPCC7002_A0095 | ADP-葡萄糖焦磷酸化酶 | 催化 | 模型预测必需但实际非必需 |
关键发现
- ['模型预测自养生长速率为0.18 h^-1，与实验值0.18±0.07 h^-1一致
- PSI/PSII比值为1.4，光合商为1.5。', '基因必需性分析：自养、异养、混合条件下必需基因数分别为368、335、348，其中333个（占总基因728的45.7%）在所有条件下必需
- 合成致死基因数分别为176（自养）、196（异养）、215（混合）。', '自养条件下最小光子摄取率为109.63 mmol/gDW/h，量子产率为0.069（对比Synechocystis sp. PCC 6803的0.072）。', '异养甘油条件下生物质产率为0.46 g biomass/g glycerol
- TCA循环（而非氧化磷酸戊糖途径）是还原力的主要来源。', '混合营养条件下PSI/PSII比值升至2.5，光合电子传递链主要用于ATP合成。', 'MOMA预测单敲除谷氨酸脱氢酶时：丁醇产率0.026 mmol/gDW/h，理论最大0.19 mmol/gDW/h，碳转化率10%
- 乙醇产率0.0095 mmol/gDW/h，理论最大0.36 mmol/gDW/h，碳转化率9.5%。', '双敲除（如2-甲基马来酸水合酶+谷氨酸脱氢酶）：丁醇产率0.047 mmol/gDW/h，理论最大0.2 mmol/gDW/h，碳转化率10.6%。', '无论单还是双敲除，理论最大碳转化率仅为约10%，表明固定碳向乙醇/丁醇的转移能力有限。']
研究结论
构建并验证了Synechococcus sp. PCC 7002的更新基因组尺度代谢模型，揭示了不同营养模式下的中央碳代谢通量分布和代谢鲁棒性差异；预测双反应敲除最多仅能将约10%固定碳导向乙醇和丁醇，为蓝藻生物燃料代谢工程提供了系统层面的定量认知。