Genome-Scale Reconstruction and Analysis of the Metabolic Network in the Hyperthermophilic Archaeon Sulfolobus Solfataricus
- 作者
- Thomas Ulas, S. Alexander Riemer, Melanie Zaparty, Bettina Siebers, Dietmar Schomburg
- 单位
- Department of Bioinformatics and Biochemistry, Technische Universität Braunschweig; Institute for Molecular and Cellular Anatomy, University of Regensburg; Faculty of Chemistry, Biofilm Centre, Molecular Enzyme Technology and Biochemistry, University of Duisburg-Essen
- 杂志
- PLoS ONE（2012）
- DOI
- 10.1371/journal.pone.0043401
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
构建超嗜热古菌Sulfolobus solfataricus的基因组规模代谢网络模型，以预测不同碳源和环境条件下的代谢通量、生长表型及基因必需性。
研究策略
基于基因组注释、生化数据库和文献手工重建代谢网络，再自动添加高可靠性酶反应；采用通量平衡分析（FBA）、通量变异性分析（FVA）和最小代谢调整（MOMA）等方法进行模拟与验证。
核心内容
该研究构建了超嗜热古菌硫化叶菌（Sulfolobus solfataricus P2）的基因组规模代谢网络模型iTU515，这是首个泉古菌门的全基因组代谢模型。模型整合了基因组注释、生化数据库和文献信息，包含718个代谢反应、58个运输/交换反应及515个基因，并首次纳入羟丙酸-羟丁酸循环自养固碳途径。通过通量平衡分析（FBA）和通量变异性分析（FVA）等模拟方法，预测了异养和自养条件下的代谢表型。在葡萄糖生长条件下，模型预测生长速率约为0.022 h⁻¹，其中78%的葡萄糖经非磷酸化Entner-Doudoroff途径代谢。系统模拟35种碳源的生物量效率显示，甘油是最有效碳源，其生物量通量比葡萄糖高75%；以酚为碳源时仅约为葡萄糖的25%。MOMA分析预测约18%的单基因缺失是致死的。模型成功复现了已知的代谢特征，为理解古菌代谢网络结构、预测碳源利用效率及基因必需性提供了可靠工具，对古菌代谢工程改造具有重要参考价值。
创新点
首次构建泉古菌门（Crenarchaeota）的基因组规模代谢模型（iTU515）；整合了羟丙酸-羟丁酸循环自养固碳途径；系统比较了35种碳源的生物量效率，发现甘油是最有效的碳源；通过MOMA预测基因必需性。
研究对象（15）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Sulfolobus solfataricus P2 | Entner-Doudoroff途径 | — | 葡萄糖1-脱氢酶 | 催化 | 催化葡萄糖氧化为葡萄糖酸内酯 |
| Sulfolobus solfataricus P2 | Entner-Doudoroff途径 | — | 葡萄糖酸脱水酶 | 催化 | 催化葡萄糖酸脱水生成2-脱氢-3-脱氧葡糖酸 |
| Sulfolobus solfataricus P2 | Entner-Doudoroff途径 | — | 2-脱氢-3-脱氧葡糖酸激酶 | 催化 | 催化2-脱氢-3-脱氧葡糖酸磷酸化 |
| Sulfolobus solfataricus P2 | Entner-Doudoroff途径 | — | 2-脱氢-3-脱氧磷酸葡糖酸醛缩酶 | 催化 | 裂解生成丙酮酸和甘油醛-3-磷酸 |
| Sulfolobus solfataricus P2 | 糖酵解/Entner-Doudoroff途径 | — | 丙酮酸激酶 | 催化 | 催化磷酸烯醇丙酮酸转化为丙酮酸 |
| Sulfolobus solfataricus P2 | 糖异生/TCA循环回补 | — | 磷酸烯醇丙酮酸羧激酶（GTP） | 催化 | 在自养固碳和酚生长时催化草酰乙酸生成磷酸烯醇丙酮酸 |
| Sulfolobus solfataricus P2 | TCA循环回补 | — | 丙酮酸羧化酶 | 催化 | 催化丙酮酸羧化生成草酰乙酸，葡萄糖生长时必需 |
| Sulfolobus solfataricus P2 | 羟丙酸-羟丁酸循环 | — | 乙酰-CoA羧化酶 | 催化 | 自养固碳关键酶，催化乙酰-CoA羧化 |
| Sulfolobus solfataricus P2 | 羟丙酸-羟丁酸循环 | — | 丙酰-CoA羧化酶 | 催化 | 催化丙酰-CoA羧化生成甲基丙二酰-CoA |
| Sulfolobus solfataricus P2 | 羟丙酸-羟丁酸循环 | — | 甲基丙二酰-CoA变位酶 | 催化 | 催化甲基丙二酰-CoA重排为琥珀酰-CoA |
| Sulfolobus solfataricus P2 | 羟丙酸-羟丁酸循环 | — | 烯酰-CoA水合酶 | 催化 | 催化烯酰-CoA水合 |
| Sulfolobus solfataricus P2 | 酚降解途径 | — | 酚2-单加氧酶 | 催化 | 催化酚羟基化生成儿茶酚 |
| Sulfolobus solfataricus P2 | 酚降解途径 | — | 儿茶酚2,3-双加氧酶 | 催化 | 开环裂解儿茶酚，是酚降解的关键酶 |
| Sulfolobus solfataricus P2 | 糖转运 | — | 葡萄糖ABC转运蛋白 | 转运 | 负责葡萄糖摄取，每分子消耗1 ATP |
| Sulfolobus solfataricus P2 | 呼吸链 | — | SoxABCD/SoxEFGHIM细胞色素复合体 | 能量供给 | 古菌特异性电子传递链复合体，导致P/O比仅0.5 |
关键发现
- 模型包含718个代谢反应、58个运输/交换反应、705个独特代谢物，覆盖515个基因，其中112个为gap-filling反应。在葡萄糖生长条件下，预测生长速率为0.0222 h^-1，相对生物量得率25%（碳利用率），P/O比为0.5，葡萄糖摄取率0.55 mmol gDW^-1 h^-1，22%葡萄糖经半磷酸化分支、78%经非磷酸化分支。GAM为24.86 mmol ATP gDW^-1，NGAM设为1.9 mmol ATP gDW^-1 h^-1时实现25%碳利用率
- NGAM从1增至2 mmol ATP gDW^-1 h^-1时生物量通量降低35%。最优FVA显示352个活性反应中57个变异性>100%，294个反应通量固定（83%）
- 亚最优FVA（95%阈值）使整个网络通量变异性平均增加345%。EPS生成场景下生物量通量降至0.0115 h^-1（无EPS时为0.0222 h^-1）。自养固碳（HCO3^-为碳源，H2S为还原剂）场景下预测生物量通量为0.0745 h^-1，H2S通量3.1 mmol gDW^-1 h^-1
- 限制H2S通量至2.15 mmol gDW^-1 h^-1时生物量减半。35种碳源模拟中，甘油生物量通量比葡萄糖高75%
- 阿拉伯聚糖、D-阿拉伯糖、木聚糖、木糖的生物量通量约为葡萄糖的110%
- 酚为碳源时生物量通量仅为葡萄糖的25%
- 二糖/寡糖类碳源（如麦芽糖、蔗糖等）比葡萄糖高12-22%。MOMA预测18%的所有可能单基因缺失是致死的。
研究结论
构建的iTU515模型能够较好地再现Sulfolobus solfataricus的代谢表型，可用于预测碳源利用效率、基因必需性和自养/异养条件下的代谢通量，为古菌代谢工程和系统生物学研究提供了重要工具。