Genome-Scale Modeling and In Silico Analysis of Ethanologenic Bacteria Zymomonas mobilis
- 作者
- Hanifah Widiastuti, Jae Young Kim, Suresh Selvarasu, Iftekhar A. Karimi, Hyungtae Kim, Jeong-Sun Seo, Dong-Yup Lee
- 单位
- Department of Chemical and Biomolecular Engineering, National University of Singapore; Macrogen Inc., World Meridian Venture Center; Bioprocessing Technology Institute, Agency for Science, Technology and Research (A*STAR); Department of Biochemistry and Molecular Biology, Seoul National University College of Medicine
- 杂志
- Biotechnology and Bioengineering（2011）
- DOI
- 10.1002/bit.22965
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
- 阅读原文
- 查看 PDF 原文
解决的核心问题
Zymomonas mobilis的细胞代谢机制尚不清楚，阻碍了其在生物乙醇生产中的实际应用。
研究策略
基于基因组注释和生化信息重建了Z. mobilis ZM4的基因组尺度代谢网络模型iZM363，并通过批式发酵数据和NMR测量的细胞内通量进行验证；随后利用基因必需性分析、通量耦合分析以及与大肠杆菌和酿酒酵母的比较分析，阐明其高效产乙醇的代谢基础。
研究路线图
核心内容
该研究基于基因组注释和生化信息，重建了运动发酵单胞菌ZM4的基因组尺度代谢网络模型iZM363，包含704个代谢物和747个反应。模型通过批式发酵数据和NMR测量的细胞内通量进行验证，在不约束其他产物分泌的条件下同时准确预测了乙醇和生物量产率。基因必需性分析鉴定出195个必需反应，其中93个涉及氨基酸代谢；通量耦合分析证明pdc和adh基因在乙醇生产中完全耦合。比较分析显示，Z. mobilis因不完整的磷酸戊糖途径和TCA循环，其乙醇产量约为大肠杆菌和酿酒酵母的两倍，但细胞生长较低。在工程菌验证中，分别调整葡萄糖、果糖和木糖的非生长维持能后，预测乙醇产率分别为0.49、0.48和0.38 g/g底物。该模型揭示了Z. mobilis高效产乙醇的代谢基础，并确认pdc和adh为关键工程靶点，为菌株改造提供了理论指导。
创新点
首次构建了Z. mobilis的基因组尺度代谢模型iZM363；模型能够在不约束其他产物分泌的情况下同时准确预测乙醇和生物量产率；通过通量耦合分析揭示了pdc和adh基因在乙醇生产中的完全耦合关系；比较分析解释了Z. mobilis因不完整的PPP和TCA循环而实现高乙醇产率的代谢特征。
研究对象（6）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Zymomonas mobilis ZM4 | 乙醇发酵途径 | pdc | 丙酮酸脱羧酶 | 催化 | 催化丙酮酸转化为乙醛，是Z. mobilis乙醇生产的关键酶 |
| Zymomonas mobilis ZM4 | 乙醇发酵途径 | adh | 醇脱氢酶 | 催化 | 催化乙醛还原为乙醇，与pdc完全耦合，对乙醇生产至关重要 |
| Zymomonas mobilis ZM4 | 碳水化合物转运 | glf | 葡萄糖转运蛋白 | 转运 | 负责葡萄糖和木糖的跨膜转运，与底物摄取相关 |
| 重组Zymomonas mobilis（木糖发酵工程菌） | 木糖代谢 | xyIA | 木糖异构酶 | 催化 | 来自大肠杆菌，催化木糖异构化为木酮糖，用于工程菌利用木糖 |
| 重组Zymomonas mobilis（木糖发酵工程菌） | 木糖代谢 | xyIB | 木酮糖激酶 | 催化 | 来自大肠杆菌，催化木酮糖磷酸化生成木酮糖-5-磷酸 |
| 重组Zymomonas mobilis（木糖发酵工程菌） | 磷酸戊糖途径 | talB | 转醛醇酶 | 催化 | 来自大肠杆菌，用于补全磷酸戊糖途径，支持木糖代谢 |
关键发现
- iZM363模型包含704个代谢物和747个反应（363个ORFs）
- 通过设定GAM为82.638 mmol ATP/gDCW/h和NGAM为3.8964 mmol ATP/gDCW/h，模型对野生菌在葡萄糖上的乙醇和生物量预测与实验吻合
- 在工程菌验证中，分别调整葡萄糖、果糖和木糖的NGAM为40、30和23 mmol ATP/gDCW/h后，预测乙醇产率分别为0.49、0.48和0.38 g/g底物
- 比较分析显示Z. mobilis的乙醇产量约为大肠杆菌和酿酒酵母的两倍，但细胞生长较低
- 基因必需性分析确定195个必需反应（占总反应30%），其中93个涉及氨基酸代谢
- 通量耦合分析证明pdc和adh基因完全耦合。
研究结论
重建的基因组尺度模型iZM363能够准确预测Z. mobilis的生理行为，揭示其不完全的磷酸戊糖途径和TCA循环赋予的高效homofermentative乙醇生产优势；基因必需性和通量耦合分析确认pdc和adh是乙醇生产的关键基因，且与乙醇分泌和氨基酸合成功能耦连，为未来菌株工程改造提供了靶点。