Development of Petri Net-Based Dynamic Model for Improved Production of Farnesyl Pyrophosphate by Integrating Mevalonate and Methylerythritol Phosphate Pathways in Yeast
- 作者
- Rama Raju Baadhe, Naveen Kumar Mekala, Satwik Reddy Palagiri, Sreenivasa Rao Parcha
- 杂志
- Applied Biochemistry and Biotechnology（2012）
- DOI
- 10.1007/s12010-012-9583-1
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
酵母天然仅含甲羟戊酸（MEV）途径，FPP产量有限，难以满足青蒿素前体amorpha-4,11-diene（AD）的商业化生产需求；需要提高FPP及AD的产量。
研究策略
利用混合功能Petri网扩展（HFPNe）方法，构建整合MEV途径和MEP途径的酵母FPP生物合成网络模型，将MEP途径的GPP2通量导向MEV途径的GPP节点，并通过仿真优化产量。
核心内容
该研究针对酿酒酵母天然仅含甲羟戊酸（MEV）途径导致法尼基焦磷酸（FPP）产量有限的问题，采用混合功能Petri网扩展（HFPNe）方法，构建了整合MEV途径与甲基赤藓醇磷酸（MEP）途径的酵母FPP生物合成动态模型。模型包含84个连续变迁、61个位点、3个开关和2个参数调节器，通过将MEP途径产生的GPP2通量导向MEV途径的GPP节点实现跨途径通量重定向。模拟结果显示，单独MEV途径的FPP产量为259.91 U/100 pt，整合后提升至431.168 U/100 pt，约提高2倍；转化为青蒿素前体amorpha-4,11-diene后，整合途径产量为436.5 U/pt，较单独MEV途径的258.5 U/pt同样约提升2倍。该模型首次实现了酵母中不存在的外源MEP途径与内源MEV途径的系统整合模拟，验证了跨途径通量重定向策略的可行性，为青蒿素前体的高效微生物合成提供了理论指导，并提示通过限制乙酰辅酶A向线粒体转运或抑制乙醇和脂肪酸合成可进一步增强MEV途径通量。
创新点
首次采用HFPNe技术整合酵母中不存在的MEP途径与内源MEV途径，实现跨途径通量重定向；建立了包含84个连续变迁、61个位点、3个开关和2个参数调节器的动态模型；模拟验证了整合途径可使FPP和AD产量约翻倍。
研究对象（17）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| 酿酒酵母 (Saccharomyces cerevisiae) | MEV pathway | AACT | 乙酰乙酰辅酶A硫解酶 (Acetoacetyl-CoA thiolase) | 催化 | 催化两分子乙酰辅酶A缩合生成乙酰乙酰辅酶A |
| 酿酒酵母 (Saccharomyces cerevisiae) | MEV pathway | HMGS | HMG-CoA合酶 (HMG-CoA synthase) | 催化 | 催化乙酰乙酰辅酶A与乙酰辅酶A缩合生成HMG-CoA |
| 酿酒酵母 (Saccharomyces cerevisiae) | MEV pathway | HMGR | HMG-CoA还原酶 (HMG-CoA reductase) | 催化 | 限速酶，催化HMG-CoA还原为甲羟戊酸 |
| 酿酒酵母 (Saccharomyces cerevisiae) | MEV pathway | MK | 甲羟戊酸激酶 (Mevalonate kinase) | 催化 | 催化甲羟戊酸磷酸化为甲羟戊酸磷酸 |
| 酿酒酵母 (Saccharomyces cerevisiae) | MEV pathway | PMK | 磷酸甲羟戊酸激酶 (Phosphomevalonate kinase) | 催化 | 催化甲羟戊酸磷酸进一步磷酸化 |
| 酿酒酵母 (Saccharomyces cerevisiae) | MEV pathway | PMD | 甲羟戊酸焦磷酸脱羧酶 (Mevalonate diphosphate decarboxylase) | 催化 | 催化甲羟戊酸二磷酸脱羧生成IPP |
| 酿酒酵母 (Saccharomyces cerevisiae) | MEV pathway | IDI | 异戊烯基二磷酸异构酶 (Isopentenyl diphosphate isomerase) | 催化 | 催化IPP与DMAPP相互转化 |
| 酿酒酵母 (Saccharomyces cerevisiae) | MEV pathway | GPPS | 牻牛儿基焦磷酸合酶 (Geranyl pyrophosphate synthase) | 催化 | 催化IPP与DMAPP缩合生成GPP |
| 酿酒酵母 (Saccharomyces cerevisiae) | MEV pathway | FPPS | 法尼基焦磷酸合酶 (Farnesyl pyrophosphate synthase) | 催化 | 催化GPP与IPP缩合生成FPP |
| 酿酒酵母 (Saccharomyces cerevisiae) | MEP pathway | DXS | 1-脱氧-D-木酮糖-5-磷酸合酶 (DXP synthase) | 催化 | 限速酶，催化丙酮酸和甘油醛-3-磷酸缩合生成DXP |
| 酿酒酵母 (Saccharomyces cerevisiae) | MEP pathway | DXR | 1-脱氧-D-木酮糖-5-磷酸还原异构酶 (DXP reductoisomerase) | 催化 | 催化DXP重排还原为MEP |
| 酿酒酵母 (Saccharomyces cerevisiae) | MEP pathway | MCT | MEP胞苷转移酶 (MEP cytidyltransferase) | 催化 | 催化MEP转化为CDP-ME |
| 酿酒酵母 (Saccharomyces cerevisiae) | MEP pathway | CMK | CDP-ME激酶 (CDP-ME kinase) | 催化 | 磷酸化CDP-ME |
| 酿酒酵母 (Saccharomyces cerevisiae) | MEP pathway | MDS | MEcPP合酶 (MEcPP synthase) | 催化 | 催化CDP-MEP环化生成MEcPP |
| 酿酒酵母 (Saccharomyces cerevisiae) | MEP pathway | HDS | HMBPP合酶 (HMBPP synthase) | 催化 | 催化MEcPP开环生成HMBPP |
| 酿酒酵母 (Saccharomyces cerevisiae) | MEP pathway | HDR | HMBPP还原酶 (HMBPP reductase) | 催化 | 催化HMBPP还原生成IPP和DMAPP |
| 酿酒酵母 (Saccharomyces cerevisiae) | Integrated MEV and MEP pathways | ADS | 紫穗槐二烯合酶 (Amorphadiene synthase) | 催化 | 催化FPP环化生成amorpha-4,11-diene (AD) |
关键发现
- 单独MEV途径FPP产量为259.91 U/100 pt
- 整合MEV和MEP途径后FPP产量提升至431.168 U/100 pt，约提高2倍。单独MEP途径产生的GPP2为229.0 U/100 pt，且IPP2积累为99.0 U/100 pt，DAMP2为30 U/100 pt。整合途径中GPP和GPP2浓度分别为0和4.11 U/pt。将FPP转化为AD后，整合途径AD产量为436.5 U/pt，而单独MEV途径为258.5 U/pt，同样约提高2倍。MEV途径中IPP和DMAPP最终积累浓度较低，分别为3.21 U和0.023 U。
研究结论
HFPNe模型成功模拟并验证了整合MEV和MEP途径可显著提高酵母中FPP及AD的产量，为青蒿素前体的高效生物合成提供了理论指导；通过限制乙酰辅酶A向线粒体转运或抑制乙醇和脂肪酸合成以增强MEV途径通量，有望进一步提高产量。