Metabolic flux analysis for metabolome data validation of naturally xylose-fermenting yeasts
- 作者
- Henrique C. T. Veras, Christiane G. Campos, Igor F. Nascimento, Patricia V. Abdelnur, João R. M. Almeida, Nádia S. Parachin
- 单位
- Grupo Engenharia de Biocatalisadores, Universidade de Brasilia - UnB, Campus Darcy Ribeiro, Instituto de Ciencias Biológicas, Bloco K, 1st andar, Asa Norte, Brasilia 70.790-900, Brazil; Emprega Brasileira de Pesquisa Agropecuária, EMBRAPA Agroenergia, Brasilia-DF, Brazil; Instituto de Química, Universidade Federal de Goiás - UFG, Goiânia, Brazil; Programa de Pós-Graduação em Biologia Microbiana, Instituto de Biologia, Universidade de Brasilia - UnB, Brasilia, Brazil; Programa de Pós-Graduação em Administração, Universidade de Brasilia - UnB, Brasilia, Brazil
- 杂志
- BMC Biotechnology（2019）
- DOI
- 10.1186/s12896-019-0548-0
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
验证天然木糖发酵酵母胞内代谢物数据，并阐明木糖代谢的碳通量分布及辅因子平衡问题
研究策略
构建包含39个反应和35个代谢物的化学计量模型，利用胞外速率约束进行代谢通量分析（MFA），并整合UHPLC-MS/MS测定的11种胞内代谢物数据，通过MFA模拟验证代谢组学数据
核心内容
本研究针对三种天然木糖发酵酵母（Scheffersomyces stipitis、Spathaspora passalidarum和Spathaspora arborariae），构建了包含39个胞内反应和35个代谢物的化学计量模型，采用代谢通量分析（MFA）结合胞外速率约束，对UHPLC-MS/MS测定的11种胞内代谢物数据进行验证，并解析木糖代谢的碳通量分布与辅因子平衡。结果显示，约80%的代谢物（S. stipitis 8/10、S. arborariae 7/10、S. passalidarum 9/11）与模型计算通量相关性超过90%，果糖-6-磷酸、葡萄糖-6-磷酸、核酮糖-5-磷酸和苹果酸在三种酵母中均获验证，而磷酸烯醇式丙酮酸和丙酮酸均未通过验证。S. stipitis的木糖分解通量是S. arborariae的2倍以上，S. passalidarum为1.5倍；S. stipitis和S. passalidarum的NADH依赖性木糖还原酶（XR）通量分别为1.97和1.28 mmol/gCDW·h，而S. arborariae仅0.68。S. stipitis的糖酵解通量比S. arborariae快4.5倍，S. arborariae的氧化性磷酸戊糖途径通量则为其他两种的4倍。该研究首次为Spathaspora酵母建立木糖至乙醇的化学计量模型，证实MFA可有效筛选代谢组学数据，并揭示NADH/NAD+平衡及辅因子偏好是决定木糖发酵效率的关键因素。
创新点
首次将代谢通量分析与代谢组学数据结合用于S. stipitis、S. passalidarum和S. arborariae三种天然木糖发酵酵母的比较研究；提出了利用MFA验证代谢组数据的新策略，并揭示了NADH/NADPH辅因子偏好与木糖醇积累的关系
研究对象（6）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Scheffersomyces stipitis | 木糖代谢途径 | — | 木糖还原酶 (XR) | 催化 | 使用NADPH和NADH为辅因子，NADH依赖的通量速率较高（1.97 mmol/gCDW·h） |
| Scheffersomyces stipitis | 木糖代谢途径 | — | 木糖醇脱氢酶 (XDH) | 催化 | 催化木糖醇氧化为木酮糖，与XR共同维持辅因子平衡 |
| Spathaspora arborariae | 木糖代谢途径 | — | 木糖还原酶 (XR) | 催化 | 偏好使用NADPH，导致木糖醇积累，NADH依赖通量速率为0.68 mmol/gCDW·h |
| Spathaspora arborariae | 木糖代谢途径 | — | 木糖醇脱氢酶 (XDH) | 催化 | 催化木糖醇氧化为木酮糖，与XR共同维持辅因子平衡 |
| Spathaspora passalidarum | 木糖代谢途径 | XIL1.1, XIL1.2 | 木糖还原酶 (XR) | 催化 | 两个木糖还原酶基因，其中一个优先利用NADH，NADH依赖通量速率为1.28 mmol/gCDW·h |
| Spathaspora passalidarum | 木糖代谢途径 | — | 木糖醇脱氢酶 (XDH) | 催化 | 催化木糖醇氧化为木酮糖，与XR共同维持辅因子平衡 |
关键发现
- 构建的化学计量模型包含39个胞内反应和35个代谢物，自由度为4。通过MFA验证了11种胞内代谢物，其中80%的代谢物（S. stipitis 8/10，S. arborariae 7/10，S. passalidarum 9/11）与模型计算通量相关性高于90%。果糖-6-磷酸、葡萄糖-6-磷酸、核酮糖-5-磷酸和苹果酸在三种酵母中均得到验证，而磷酸烯醇式丙酮酸和丙酮酸均未验证。S. stipitis的木糖分解通量速率是S. arborariae的2倍以上，S. passalidarum为S. arborariae的1.5倍。S. stipitis和S. passalidarum的XR反应NADH依赖通量速率分别为1.97和1.28 mmol/gCDW·h，而S. arborariae为0.68
- S. passalidarum的NADH依赖XR通量是其他两种酵母的1.5倍。乙醇产生速率与实验值相关性高于90%。S. stipitis的糖酵解通量（G6P←F6P）比S. arborariae快4.5倍，比S. passalidarum快2.7倍。S. arborariae的氧化性PPP（G6P→RU5P）通量是S. stipitis和S. passalidarum的4倍。S. passalidarum具有两个XR基因XIL1.1和XIL1.2，其中一个优先利用NADH。
研究结论
本研究首次为Spathaspora酵母构建了从木糖到乙醇的化学计量模型，验证了11种代谢物中约80%的通量预测准确性（>90%），表明S. stipitis和S. passalidarum具有更好的木糖发酵特性，包括更高的木糖消耗速率、NADH依赖性XR通量和流向PPP/糖酵解的通量，以及更好的NADH/NAD+平衡，有利于提高乙醇产量。