A diurnal flux balance model of Synechocystis sp. PCC 6803 metabolism
- 作者
- Debolina Sarkar, Thomas J. Mueller, Deng Liu, Himadri B. Pakrasi, Costas D. Maranas
- 单位
- Department of Chemical Engineering, Pennsylvania State University; Department of Biology, Washington University
- 杂志
- PLoS Computational Biology（2019）
- DOI
- 10.1371/journal.pcbi.1006692
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
常规通量平衡分析无法描述蓝藻在光暗周期下的时间动态代谢，尤其是代谢物积累/消耗的昼夜变化以及不同时段生物量前体的合成差异。
研究策略
将12小时光照/12小时黑暗周期离散为12个时间点模型（TPMs），每个TPM持续2小时，通过代谢物转移反应连接，允许代谢物跨时间点流动，并用时间分辨的转录组数据约束反应通量上限，结合改进的pFBA最小化转移通量，模拟周期性光养生长。
核心内容
本研究构建了CycleSyn框架，将昼夜节律融入通量平衡分析，以模拟集胞藻PCC 6803在12小时光照/12小时黑暗周期下的时间动态代谢。该框架将光暗周期离散为12个2小时的时间点模型，通过代谢物转移反应连接各时间点，允许代谢物跨时段流动，并结合时间分辨转录组数据约束反应通量上限，以单一线性规划问题求解。未加转录组约束时预测生物量产生通量为0.03 hr⁻¹，对应倍增时间22.8小时；加入约束后最大生物量通量降至原来的十分之一，倍增时间约25小时。模型成功捕捉到糖原在光照期积累并随暗期消耗的动态，峰值出现在光暗转换期，与实验数据吻合。代谢控制分析显示L-酪氨酸和L-苯丙氨酸氨基转移酶的流量控制系数分别为0.016和0.04，且仅在光照时段影响生物量产量。模拟引入固氮功能时，需上调107个唯一次级反应并下调225个唯一次级反应，每固定一分子N₂消耗16个ATP和8个还原当量。该框架为构建具有昼夜节律生物的时间分辨基因组规模模型奠定了基础，可用于探索光合生物中与光合作用时间分离的固氮等代谢重排策略。
创新点
提出了CycleSyn框架，将昼夜节律融入到通量平衡分析中，以单一线性规划问题求解，能够预测反应通量的时间变化和代谢物积累/消耗，并用于探索引入固氮所需的代谢重排。
研究对象（7）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Synechocystis sp. PCC 6803 | 中心碳代谢 | icd (slr1289) | 异柠檬酸脱氢酶 | 催化 | 在暗期上调，催化异柠檬酸转化为2-氧代戊二酸 |
| Synechocystis sp. PCC 6803 | 氢代谢 | — | NiFe-氢化酶 | 催化 | 帮助维持氧化还原平衡，减少H+ |
| Synechocystis sp. PCC 6803 | 氮固定 | nif (来自Cyanothece) | 氮酶 | 催化 | 需要厌氧环境，每固定一分子N2消耗16个ATP和8个还原当量 |
| Synechocystis sp. PCC 6803 | 光合作用/能量代谢 | — | 铁氧还蛋白:NADP+氧化还原酶 | 能量供给 | 通过氧化铁氧还蛋白将NADP转化为NADPH，提供还原力 |
| Synechocystis sp. PCC 6803 | CO2浓缩机制 | — | 羧酶体 | 区室化 | 代谢物可在羧酶体中转移，参与CO2固定 |
| Synechocystis sp. PCC 6803 | 氨基酸代谢 | — | L-酪氨酸:2-氧代戊二酸氨基转移酶 | 催化 | 流量控制系数为0.016，影响生物量产量 |
| Synechocystis sp. PCC 6803 | 氨基酸代谢 | — | L-苯丙氨酸:2-氧代戊二酸氨基转移酶 | 催化 | 流量控制系数为0.04，影响生物量产量 |
关键发现
- 未加转录组约束时，预测生物量产生通量为0.03 hr^-1，对应倍增时间22.8小时
- 加入转录组约束后，最大生物量通量降低至原来的十分之一，对应倍增时间约25小时。糖原在光照期积累，暗期逐渐消耗，峰值出现在光暗转换期，与实验数据吻合。RNA类代谢物的转移通量在4.345至4.328 mmol gDW^-1 hr^-1之间，基本不随昼夜变化。代谢控制分析显示，L-酪氨酸:2-氧代戊二酸氨基转移酶和L-苯丙氨酸:2-氧代戊二酸氨基转移酶的流量控制系数分别为0.016和0.04，仅在光照TPM中影响生物量产量。引入固氮后，需要上调236个反应（107个唯一）和下调436个反应（225个唯一），其中166个反应（128个唯一）在固氮条件下必需。固氮过程每固定一分子N2需消耗16个ATP和8个还原当量。
研究结论
CycleSyn成功捕捉了Synechocystis sp. PCC 6803在光暗周期下的代谢时间动态，预测结果与实验观测一致，并可用于探索代谢重排，例如在光合生物中实现与光合作用时间分离的固氮。该框架为构建具有昼夜节律生物的时间分辨基因组规模模型奠定了基础。