在这里,我们将简要地总结宝石施工过程,突出了宝石,通常遇到的最重要的特征。宝石的事实标准建设协议是困扰蒂埃尔和Palsson[发表的 47]和应该被称为标准内。

施工过程分为四大阶段:(1)自动化建设草案模型,(2)手动草案模型的细化,(3)模型的转换成一个数学模型,和(4)定量模型的评估和改进。第一阶段包括识别所有可能的反应途径,生物港口根据其基因组注释。这个过程可以自动化,因为它本质上是一个生物信息学问题要求的比较基因组数据库文档已知基因及其相关代谢酶和路径(例如,KEGG [ 64年],Uniprot [ 65年],BioCyc [ 66年])。许多工具都是为了促进这个过程如乌鸦工具箱( 67年,KBASE PathwayTools [ 68年),ModelSEED [ 69年]。

草案的人工管理阶段模型细化是最time-consuming-arguably最关键部分的过程。所有的反应和通路中确定第一阶段评估,确保各种一致性:在生物实验数据应该支持他们的存在,质量和费用需要平衡和符合反应化学计量学,和反应模型加以需要符合热力学数据。失踪的通路被添加在这个阶段以及运输反应负责生物体的流入和流出的代谢物环境。最重要的特性,使宝石独特而使后续定量预测也建立在这个阶段,具体来说,生物量的客观反应,ATP维护相关的增长反应(GAM)和关联的对应nongrowth ATP维护(NGAM)反应,和布尔gene-protein-reaction协会(GPRs)。

定量预测使用宝石通常是框架的线性规划问题优化模型的一个特性是在一个给定的一组约束。这个特性通常是模型的生物质产量(类似于增长率)描述由一个pseudo-reaction产生伪代谢物的“生物质”消费的所有代谢物生物需要增长(例如,单个氨基酸、碳水化合物、脂类、核酸、维生素、代数余子式,离子和微量金属)。理想情况下,这个反应是使用实验构建的生物有机体的组成特点。然而,这些数据通常很难获得,让策展人估计生物质组成生物体的基因组或采用成分可以从其他生物。

GAM和NGAM反应消耗ATP。GAM的反应反映了ATP生物生长所需的消费而NGAM反应反映了生物生存所需的基底ATP消费但不一定增长(例如,维持膜电位和氧化还原平衡)。因为两种反应模型中反映生物体的能量需求,选择这两个反应的化学计量系数极大地影响模型的增长预测。理想情况下,这两个重要反应的化学计量系数应该从一个恒化器实验确定增长率的追踪与ATP消费(或一些基准代谢物跟踪ATP消费,例如,就像在( 70年])。在实践中,你将发现,研究人员通常使用多种评估方案基于实验数据。最常见的替代方法确定ATP需求包括匹配的增长率和增长产生(克干质量/衬底吸收或流出)的数据批处理文化生长在不同媒体假设一个特定的生物成分和化学计量矩阵(例如,在 19])。NGAM在没有测量,通常认为是GAM的一部分(例如,GAM的反应在2006年的2.5% m·巴氏细菌模式,小狗等。 19])。

GPRs是布尔表达式包含代谢酶的基因代码促进反应。接头在一系列的基因,或操作,所需的GPR编码基因酶合成的基因的细胞,因此所需的代谢反应存在。基因敲除的预测效果与宝石通常计算。模型中并不是所有的反应将GPRs由于缺乏实验的基因特征,使用非物质“gapfill”反应( 71年),或者小说的存在无特征路径假设馆长。

本手册内容管理完成后,可以进行第三阶段将创业板转化为定量预测模型。这是通过定义“客观”反应的优化模型和约束通量范围在所有模型反应。这些通量范围必须反映特定生物体受到生长条件。在模型结构,大多数内部反应通量可能是无界的,由于相对有限的生化和蛋白质组学数据用于大多数反应和生物;交换反应的通量,必须约束来反映营养生物环境的可用性。交换反应物质外部反应化合物引入到系统的模型,从而模拟生物体的生长环境。这些约束( 72年)必须通过COBRA-capable软件应用。一旦这些模型约束集,通量平衡分析可以预测生物的增长率,通过代谢网络通量的分布。第四阶段是验证这些预测与实验增长数据和差异修正迭代模型的手工精致。许多工具( 67年, 69年, 73年- - - - - - 78年)已经开发多年来艰苦施工过程自动化许多阶段,允许研究人员集中他们的努力在最后阶段的模型细化。迪亚斯et al。 73年)提供各种计算工具的比较评估。

最定义在产甲烷菌代谢途径,甲烷生成由大量的生化研究已经研究的很透彻。因此,最重要的和著名的产烷生物模型之间的差异将会发现甲烷生成途径和支持为不同基质通路产生新颖的代数余子式。的基本框架如图 3公司在哪里₂减少甲烷的一系列步骤。尽管这个基本框架是守恒的产甲烷菌中,关键的区别在于exergonic-endergonic反应耦合的途径。有限公司的第一步₂是一种吸能反应,减少氧化铁氧还蛋白并产生formylmethanofuran。在简单hydrogenotrophic缺乏细胞色素的产甲烷菌,这种能量通常是由methyl-H恢复₄MPT: CoM甲基转移酶(地铁)反应和heterodisulfide还原酶(Hdr)反应。地铁驱赶Na⁺离子传输过程中甲基辅酶M (CoM)上,从而建立了电化学梯度负责驾驶ATP合成。电子从甲酸或H₂由Hdr然后使用这些电子将CoM-CoB heterodisulfide和减少铁氧还蛋白,因此补充所需的铁氧还蛋白池运行公司的第一步₂减少。这甲酸氧化或H₂减少heterodisulfide和铁氧还蛋白被称为电子分岔的反应。这与cytochrome-containing几乎只发现在Methanosarcinales产甲烷菌。在这些substrate-diverse产甲烷菌,Hdr酶进化到港细胞色素,可以利用methanophenazine作为另一个电子载体。而不是直接减少和补充机体的铁氧还蛋白供给,Hdr分别由氢离子建立proton-based电化学梯度膜结合的能源节约使用氢化酶(决定)再生减少铁氧还蛋白。这个系统是最好的例证 m·巴氏细菌模型( 我AF692)的决定反应模型建设期间特别感兴趣,因为质子转移到电子的比例提取是未知的。使用实验增长产量数据,1质子的化学计量学/ 2 e和GAM / NGAM 70/1.75更易gDWT /人力资源使模型预测增长收益增长与实验数据一致甲醇,醋酸,H₂/公司₂和丙酮酸。这个决定化学计量学后来更新 我MG746 2质子/ 2 e^{- - - - - -}。尽管非常密切相关 m·巴氏细菌, m . acetivorans作为一个海洋产烷生物具有显著差异。在甲烷生成,它与铁氧还蛋白替代品决定:河畔⁺氧化还原酶复合体(Rnf)有趣的是把钠离子代替氢离子( 81年]。这主要建立了Na⁺主导电化学梯度和有助于解释为什么 m . acetivorans居住在海洋环境( 40与淡水 m·巴氏细菌( 82年]。自 m . acetivorans不能消费有限公司吗₂,它将不会进行吸能减少公司的第一步₂从而证明没有一个决定。

大部分的产甲烷日期来自宝石 m·巴氏细菌模型 我AF692和 m . acetivorans模型 我MB745。两种模型描述了七个主要代谢子系统:维生素和代数余子式生物合成,氨基酸代谢、核酸代谢,中央新陈代谢,脂质和细胞壁的生物合成,methanogensis。 我MB745继承了大部分的反应 我AF692但还包含各种额外的途径。最引人注目的变化包括一个修改methanofuran基于相同的生物合成途径酶相同的途径 m . jannaschii,修改后的电子传递链反映上述替代Rnf决定,和一个更新的生物反应,结合新的碳水化合物,脂质和核苷酸成分数据。虽然只是试图估计GAM纯粹从基因组数据,模型必须保持和优化 我AF692原始值以符合实验的增长数据。生物反应更系统地构造 我MB745比 我AF692。生物反应的通用组件(蛋白质、RNA、DNA、脂质、碳水化合物和微量组件)被从一个典型的细菌细胞而不是平均产甲烷古菌细胞,最有可能由于缺乏实验数据。这种做法很普遍在重建古宝石,可以造成严重后果,因为生物质成分具有显著影响的代谢通量分布在整个网络。这些计算通量分布可能偏向使用细菌生物量组成而不是古细菌生物量组成(见表 2和 3生物质成分的模型)。

我VS941是独立于开发并发布 我MB745同时通过同源性比较 m·巴氏细菌和一个自动Suthers发布的管理过程等。 83年]。生物反应,包括GAM参数,直接继承 我AF692,但核苷酸成分被修改,以反映不同的G / C之间的内容 m·巴氏细菌和 m . acetivorans。最近的模型 m . acetivorans天堂是 我MAC868和我们自己的 我ST807,这两个独立更新代谢模型。虽然 m . smithii我Msi385和 m . hungatei我Mhu428模型确实是独立管理,我们在这里将不讨论它们,因为它们是直接继承 我MB745和被限定为初步草案模型需要进一步修正。 我MAC868建成将甲烷氧化的改造途径,允许,基本上使模型长在甲烷生成的甲烷,从而扭转整个过程产生的生长基质 m . acetivorans通常会消费。然而,模型还可以用于模拟野生型 m . acetivorans并且包含重要的更新 我MB745。 我从MAC868合并信息 我MB745和 我VS941成一个单一的模型和纠正无数电子传递链中的电荷和质量失衡。64年GPRs也与最近的更新 m . acetivorans基因注释。GAM,生物量和NGAM需求仍然是相同的 我MB745。在 我ST807,我们更新 我MB745通过修改methanofuran生物合成途径与最近的实验数据 m . jannaschii( 84年- - - - - - 87年),增加13 62年新反应和新基因,和修改生物反应利用带电氨基酸转运rna,而不是自由。在新增加的反应,使pyrrolysine生物合成甲胺增长期间,methyl-3-mercaptopropionate新陈代谢,o-phosphoserine氨酰化后转化为半胱氨酸。能够吸收各种媒体组件(沃尔夫介质( 88年)中, m . acetivorans通常是成长是准确模拟生物体的新陈代谢的关键。许多反应需要效仿这个失踪或打开 我MB745和 我MAC868。半胱氨酸是一种重要的媒体组件通常添加淬火的目的任何氧气产烷生物的生长环境,但到目前为止,没有人验证这是否媒体组件也是代谢。自从unconstraining内吸收 我MB745造成错误的高增长率,半胱氨酸吸收反应被关闭,这是遗传的 我MAC868以及各种失踪沃尔夫媒体吸收反应。 我ST807通量通过合并吸收反应的所有组件的沃尔夫媒介使用的代谢网络,包括半胱氨酸是nongrowth-limiting约束值最大化模型的协议与实验增长率如图 4。

从产甲烷宝石的宗谱,很明显,大部分的产甲烷宝石是继承 我MB745尽管 我VS941独立发表在同一时间。这种遗传趋势很可能由于更完整的模型文件和容易测试的宝石提供的可用性 我MB745相比 我VS941。因为新陈代谢建模古生菌仍是一个发展中努力,这种做法提供组装不良GEM文件定量评估还没有做好准备,不幸的是,常见的字段。为了解决这个问题,我们提供的补充信息(在网上补充材料 https://doi.org/10.1155/2017/9763848本文所有的当前可用 m . acetivorans模型标准化使用境id ( http://bigg.ucsd.edu/data_access)和适当的分隔标记,这样在COBRApy模型可以方便地处理。我们也比较他们的生长特性,如图 4给的这些模型如何执行彼此和实验数据。我们选择了把重点放在这些模型从这个物种,因为他们通常用作模板其他产甲烷菌的重建。

我VS941不切实际的增长率预计增长收益,没有甲烷流出,这表明模型的不足。这种增长特征评估表明,除了适当的文档, 我MB745还演示了更好的预测能力 我VS941,因此作为父母模型更可靠 m . acetivorans。这也证明了这一点的预测性能 我ST807和 我MAC868的更新版本 我MB745。在所有生长基质和生长特性, 我MAC868预测显示值偏差从实验值的36%。相比之下, 我ST807表明只有12%的平均偏差是一个边际改善超过14%的平均偏差 我MB745。尽管这些统计数据似乎表明, 我MB745和 我ST807更可靠的模型总体而言,重要的是要记住,增长预测主要是依靠每个模型的允许吸收反应和各自的利率。在这个评估中,每个模型的吸收反应将各自的出版物中提供默认值。生长基质的吸附率测试是统一设置为实验值在所有的模型,和其他主要增长衬底吸收反应是关闭的。

虽然只有四个宝石已经开发了只有三个nonmethanogenic古生菌,它们提供了大量了解生物体的新陈代谢和成长。重建的嗜盐的archaeum Halobacterium salinarumr 1能够生长在15个不同的碳/能源是由Dieter Oesterhelt集团( 13]。在施工过程中,一种新型磷酸戊糖途径(PPP)的一代ribulose-5-phosphate (R5P)预测,后来验证。众所周知,不同的古生菌利用不同途径产生R5P(如nonoxidative购买力平价,反向ribulose-monophosphate通路,和氧化PPP)。 h . salinarum是失踪的这些途径的全部或部分。另一种途径使用部分Entner-Doudoroff (ED)通路连接部分氧化分支的PPP semiphosphorylated 6-phosphogluconate。这个途径从而描述为什么生物保留部分氧化人民党和ED通路的一部分,尽管它是生长在糖的能力。作者还指出,在重建shikimate生产是不完整的,因此建议己糖和L-aspartate-4 semialdehyde被使用,符合¹³从色氨酸退化C标记数据。此外,草案途径合成亮氨酸,异亮氨酸,缬氨酸可以在模型中生成。

校准模型,他们测量了氨基酸组成和内容使用实验,发现蛋白质质量构成干质量的49%,远远低于在其他古生菌。使用动态模拟与实验测定氨基酸的摄取率预测内部通量,他们画了一个数量的结论。最引人注目的是,只有15%的氨基酸与生物质碳最终多数被用于在三羧酸循环中产生能量。他们发现,所有的氨基酸都同时使用,虽然精氨酸,天冬氨酸,亮氨酸,异亮氨酸是最快,即使是必需氨基酸蛋氨酸、赖氨酸、异亮氨酸、亮氨酸、缬氨酸细胞不能产生。利用通量平衡分析,他们发现 h . salinarum主要生产类异戊二烯脂质使用亮氨酸(~ 10%),而异亮氨酸主要是退化进入TCA乙酰辅酶a和琥珀酰辅酶。缬氨酸是氨基酸,主要是纳入生物量。因为氨基酸的吸收速率远远超过了生物质公司他们假设所有氨基酸存在降解途径,提出6个酶促进其中的一些反应。然而,只是到了后来,他们决定芳香族氨基酸的生物合成途径与他们分享共同之处 m . jannaschii;在发现他们使用代谢模型来确定吸收速率在营养缺陷型 89年]。最令人印象深刻,他们预测,后来证实,期间为鸟氨酸,精氨酸是互换退化和排泄到环境早在增长,只是后来的精氨酸。总的来说,他们建议所有可用的氨基酸的贪婪的消费导致在野外观察到的“花朵”( 13),表明进化的代谢途径,尽快有机体可以吃超过竞争对手。

模型后来被更新以包含一个精炼的描述呼吸链以及光养生长导致额外的洞察新陈代谢( 14]。几个关键的差异相比,氧化磷酸化途径提出了细菌和线粒体。首先,因为复杂的我错过了NADH氧化单元,它使用另一种能量载体。其次,halocyanin把电子从复杂的第三第四复杂而不是甲基萘醌类。最后,ATP合酶的化学计量学10质子/ ATP,这远高于大多数生物体。

通过拟合吸收氨基酸的有氧增长率实验测量,他们确定了异亮氨酸、亮氨酸、缬氨酸和首选的能源,而其他如丙氨酸、脯氨酸、鸟氨酸有不同的时期不同的吸收速率( 14]。因此,生物分层次使用代谢物增长率最大化。他们还预测重要的溢出丙氨酸,乙酸和琥珀酸。有趣的是,他们发现精氨酸发酵复苏细胞生长,之后氨基酸降解和光合生长成为主导。他们发现,即使在厌氧光养增长,生物分解氨基酸来获取能量,即使他们无法从呼吸产生最大的能量。有趣的是,他们可以识别氨基酸降解的网络结构可以描述丙氨酸产生的原因,具体地说,作为一个溢出途径在丝氨酸消费。这与有氧丝氨酸和丙氨酸消费增长似乎彼此配合,可能由于丙酮酸可以流入柠檬酸循环。总的来说,研究 h . salinarum导致了生物进化的结论其代谢行为最大化增长在华期间,偶尔会发生许多年在之间 13, 14]。建议他们使用这个策略来战胜其他生物,以提供营养和建立足够的人口,他们可以长时间的饥饿 14]。

的代谢网络polyextremophile(高盐浓度和碱性pH值) Natronomonas pharaonis开发( 25)使用的重建 h . salinarum。网络明显增大,近30%与反应相关基因,主要是由于额外的氨基酸和碳降解途径。作为 n pharaonis能够增长在单一碳源重建补充 h . salinarum增长需要一个复杂的肉汤。出于这个原因,重建可以用来调查问题嗜盐菌的代谢目的,不同的进化压力,回答问题最优的能源生产。

作者测量了氨基酸含量定义生物质成分和发现,类似 h . salinarum,它由约75%的有机质量( 13, 25]。也许高蛋白质含量有助于弥补高渗透性的生物生长。使用模型,预测有氧增长了;最重要的是,在非常高(> 7:3)和低(< 3:7)醋酸氧消耗比率增长的生物是不能。使用的实验中,他们发现了一个乙酸:氧气的比例是1:2 ~ 30的ATP维护成本 μ摩尔/ΔOD·毫升。广泛的维护能量和乙酸:氧气比率给附近的最优增长,表明增长 n pharaonis是健壮的环境和生物的目标是最大化增长和能源生产( 25]。他们发现,碳公司实际上是相当低(~ 35%)。最后,使用争论呼吸道交换比率(例如,公司之间的比率₂生产和耗氧量)作者能够表明,大约10%的碳纳入生物量和气息奄奄,表明生物使用某种形式的溢出新陈代谢( 25]。虽然他们不做任何建议,有很多嫌疑,如琥珀酸或丙酮酸可以作为其他生物提供营养。

最后nonmethanogen hyperthermoacidophile archaeon的模型 硫化叶菌solfataricus( 26]。古生菌之间的模型和生物显著代表在他们生长最佳的温度和pH值3.5 80°35和消费不同的碳源。酶的热稳定性是感兴趣的工程师们,使有机体生物反应器设计的吸引力。他们独特的能力让他们在温泉的地方发现并让他们消耗大量有机质量退化。最后重建由706反应相关的515个基因和表达的能力消耗掉所有35碳源。维护相关的模型校准和增长和nongrowth 24.68 mmolATP / gDCW和1.9 mmolATP / gDCW /人力资源,分别匹配实验。有趣的是,任何古生菌的GAM是最小的在NGAM温和。不幸的是,模型本身并不可用,因此生物质成分研究中使用不可能与别人相比识别这种低成本增长的来源(见表 2)。研究的作者选择磷酸/氧气比率为0.5作为最后的适合他们的模型参数;这种低价值是由于这一事实archaeon使用低效细胞色素复合物SoxABCD SoxEFGHIM呼吸。使用这些参数,该模型包含大约25%的碳,而其余的呼吸。

在模型重建,作者确定了事实 美国solfataricus使用反向ribulose-monophosphate通路(RRMP)而不是磷酸戊糖途径。具体地说,他们发现有机体失踪transaldolase,因此他们允许景天庚酮糖积累7-phosphate。他们发现景天庚酮糖积累7-phosphate模拟媒体占~ 3%的碳原子,因此很大一部分的整体碳生物量。模拟表明,葡萄糖增长约22%的碳通量送入RRMP通路,其余的则是代谢丙酮酸通过Entner-Doudoroff (ED)随后用于柠檬酸循环途径。代谢通量变化分析模型表明,semiphosphorylative和nonphosphorylative ED的分支路径是可能的,表明还需要进一步的研究来理解生物体的生长。同样,柠檬酸循环显示显著的变化,主要是由于乙醛酸分流。最后,可变性生产氨基酸如组氨酸、色氨酸,丙氨酸,谷氨酸表示不同的合成路线。

因为一个相关的有机体 硫化叶菌sp。VE 6可以autotrophically种植修复碳酸氢盐,作者寻找hydroxypropionate-hydroxybutyrate周期。他们发现11的16酶和爆炸进行搜索来确定假定的剩余5酶同系物。因此,他们预言 美国solfataricus能够成长autotrophically建议应该执行实验。然而,重要的是要注意,自养生长 美国solfataricus已经验证了Zillig et al。 90年]。自养生长期间,该模型预测,柠檬酸循环几乎没有使用磁通流动通过苹果酸琥珀酰辅酶形成丙酮酸可用于糖质新生。此外,硫化氢是固定提供硫源,事实上,它产生的能量使模拟生物生长得更快比葡萄糖;然而,这可能是由于缺乏一个吸收速率在H₂美国无论如何,这给一个提示的可能性syntrophic与硫酸盐还原菌的交互。

作者比较了35种不同的生物体的生长碳源。为此他们固定的碳吸收速率和生物质通量进行比较。总的来说,生物增长更快,当生长在甘油和丙醇对低聚糖的更好。他们还对碳源生长更慢比化合物进入三羧酸循环2-oxoglutarate以外的点。基因缺失化验表明,超过50%的单基因淘汰赛不致命的和额外的~ 25%被允许增长有限,建议 美国solfataricus新陈代谢是多才多艺的。虽然 美国solfataricus自然是喜温的,因此可能拥有大量的热稳定的酶,有人建议( 91年),热稳定性并不一定保证thermoactivity。因此, 美国solfataricus”代谢多样性可能是有利的在高温环境中,允许有机体规避潜在问题降低酶催化活性和较高的突变率。总的来说,这些结果表明, 美国solfataricus可以优先使用某些碳源和规范替代途径支持有益的共生关系。另外,人们也可以辩称, 美国solfataricus可以利用其代谢多样性比其它生物。