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古生菌
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古生菌/2017年/文章

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体积 2017年 |文章的ID 9763848 | https://doi.org/10.1155/2017/9763848

约瑟夫·r·彼得森ShengShee雷神,沙滩Luthey-Schulten, ”公司古生菌的代谢建模提供洞察代谢功能的多样性”,古生菌, 卷。2017年, 文章的ID9763848, 18 页面, 2017年。 https://doi.org/10.1155/2017/9763848

公司古生菌的代谢建模提供洞察代谢功能的多样性

ShengShee托尔,1 约瑟夫·r·彼得森,2 和 沙滩Luthey-Schulten1,2,3

1生物物理学和定量生物学中心伊利诺伊大学香槟分校,600年南马修斯大道,乌尔班纳,61801年,美国

2伊利诺伊大学香槟分校化学系,600年南马修斯大道,乌尔班纳,61801年,美国

3卡尔·r·伍斯基因组生物学研究所1206 W格里高利博士,乌尔班纳,61801年,美国

学术编辑器:汉斯·可兰克
收到了 2016年7月22日
修改后的 2016年10月17日
接受 2016年11月01
发表 2017年1月04

文摘

几十年的生化、生物信息学和测序数据公司目前正在系统地编译成代谢重构(宝石)。这样的重建是知识库用于工程,建模和比较分析。这里我们回顾十五宝石的热点构造。他们代表的主要成员Euryarchaeota四分之三由产甲烷菌的代表。不像其他评论的宝石,我们特别关注古生菌。我们简要回顾宝石施工过程和家谱的热点模型。这些模型的主要施工中获得感悟然后综述了与特定的关注小说代谢途径预测和发展特点。代谢途径的上下文中使用了每个生物的生物量的组成及其特定的能源和经济增长需求。我们展示如何代谢模型可以用于研究古生菌的代谢过程的演变。保护特定代谢途径可以通过比较研究使用基因与他们相关的酶反应。 This demonstrates the utility of GEMs to evolutionary studies, far beyond their original purpose of metabolic modeling; however, much needs to be done before archaeal models are as extensively complete as those for bacteria.

1。介绍

因为他们的发现和分类在1970年代末和1980年代初1- - - - - -5古生菌引起了相当大的兴趣,部分原因是当时的主流思想,他们主要生活在极端条件下,房地产,结果在独特的细胞生理和代谢特点6]。虽然最初的生物分类是基于只有十三个序列只有四个代表古菌(2),建议三个领域的生活一直在测试一次又一次(6- - - - - -10),成立。古生菌已经被发现存在于陆地环境,基本上每一个独特的自然能力的甲烷生产某些热点人群生活使这个领域非常新颖。

尽管古细菌基因组测序的重大进展,仍然缺乏系统的了解古细菌的新陈代谢。特别是外围代谢途径和机制适应极端环境的11]。人们常指出,环境领域由古生菌构成极其紧张,甚至致命的房屋的细菌堂兄弟;因此,他们已经进化出独特的应对机制和优化他们的新陈代谢打捞的能量,否则未使用的环境中。它提出了适应能源压力可能是古菌进化的主要因素(12]。结果是,他们已经进化出专门的宽容和代谢功能独特的环境使得他们相对灵活的适应就像细菌一样。这种不灵活性提出了可能导致更严格的系统组织直接代表少代谢多样性(12]。事实上,证据似乎支持这一假设只有89个属的古生菌已确定与超过1400个细菌属。这个事实应该利用系统生物学的研究人员,因为它意味着一个成员的一个分类单元获得的信息在很大程度上可以扩展到其他相关类群的成员。

出于这个原因,系统数据库的古生菌的代谢性质是非常可取的;系统生物学领域的唯一能够提供有用的见解的多样性与进化代谢功能。迄今为止,公司十五代谢模型(宝石;系统生物学研究的主要产品之一)已经建立十个热点。然而,这些模型表示主要成员近四分之三的Euryarchaeota产甲烷菌的代表。考试的系统发育树显示缺乏、代谢重构在许多的古细菌类群(见图1)。


图1
多样性的热点模型。公司的可视化多样性的热点代谢模型相关的发展史。这个数字是改编自Elkins et al。27使用33]最大似然树的构造守恒的核糖体蛋白质和三个最大的RNA聚合酶亚基。公司强调物种表明代谢模型构建的生物。虽然这个改编图中没有显示,但Methanobrevibacter smithii模型在Euryarchaeota也被建造。无数为Euryarchaeota模型构造时,Crenarchaeota严重弱势。

尽管有限表示,已经可以从宝石的“知识库”。在这里,我们审查的宝石建造日期和知识从他们。我们首先简要回顾宝石的施工过程和一般预测由代谢模型。我们还提供历史视角的建设热点宝石。然后我们检查模型和特定的见解获得模型结构,包括新颖的代谢酶/通路。最后,我们证明这些代谢模型的效用在古菌多样性的进化的研究。我们通过计算反应的保护(基于遗传协会的酶)古生菌和可视化地图上全面保护的程度的产烷生物的新陈代谢甲烷八叠球菌属acetivorans。

2。公司代谢模型(宝石)

代谢网络是非常宝贵的工具,用于定性理解生物体的代谢行为在给定的条件下,有很长的历史在生物学中使用。制度建设与遗传代谢模型的一些代谢网络关联,与环境交换代谢物的反应,生物的生物量组成才开始成形在1990年代中期,当她et al。46]完全测序整个基因组的细菌流感嗜血杆菌Rd。通过比较基因组学他们显示68%的已知的大肠杆菌蛋白质的同系物流感嗜血杆菌Rd基因组,使代谢途径存在的假设流感嗜血杆菌Rd。自那时以来,困扰蒂埃尔的开创性工作,Palsson [47)公司建立了代谢模型(宝石)作为标准的计算工具来定量研究生物体的代谢行为。2010年,一个完善的工作流发表的一篇文章中详细介绍模型施工过程的最佳实践(47]。

宝石可以最好被描述为一个包含所有的生化信息的知识库描述生物体的代谢网络。他们通常表现为系统生物学标记语言(用)48)文件,可以查询获取个人信息反应,代谢产物,基因编码的酶催化的反应。眼镜蛇等软件MATLAB工具箱(49,50]或COBRApy [51)实现基于重建和分析(眼镜蛇)方法可以使用宝石中的信息来计算预测代谢行为的有机体受到特定环境和生理限制(52]。或者,一个可以创建独立的分析工具,简单地使用宝石来识别产品合成途径(53- - - - - -56),优化生物工艺效率(57,58),预测代谢工程目标(58,59,阐明更复杂的现象,比如共生微生物群(24,60- - - - - -63年]。

2.1。模型结构和预测

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。

3所示。家谱的热点宝石

迄今所有发布的热点宝石的谱系图所示2(见表1各种模型的统计信息)。当前热点宝石方便可以分为产甲烷和nonmethanogenic热点前是最发达的由于产甲烷菌的生态角色在全球碳循环和使用在污水处理79年]。虽然第一个热点宝石了产甲烷球菌属jannaschii由Tsoka et al。22]2003年,大部分后来产烷生物宝石来自一个模型甲烷八叠球菌属巴氏细菌(我AF692),最初是由小狗et al。192006年)。这种继承源于这一事实我AF692是第一个手动策划产烷生物宝石彻底验证与实验增长数据。m·巴氏细菌也是最新陈代谢多样化的产甲烷菌Euryarchaeota王国,醋酸的消费能力,主要,甲醇,有限公司和公司吗2/小时2。两个模型,我VS941 [15),我MB745 [16),独立建造了m . acetivorans和Maranas和价格在2011年发表的研究小组,分别。m . acetivorans同样是多样化的和相似的代谢,从而继承的多少m·巴氏细菌宝石的特征。我MB745当时作为基本模型,起草最近产烷生物宝石,Methanobrevibacter smithii(我Msi385) [24),Methanospirillum hungatei(我Mhu428) [21),这两个被限定为初步重建用于更大的微生物群落的研究。最近的m . acetivorans模型包括我MAC868 [17和我们自己的我ST807,都是独立的更新我MB745。的宝石m . maripaludis(我MM518)建于2014年Goyal et al。23,80年独立于其他产烷生物的宝石。这并不奇怪,因为这个时候宝石建设已经建立。
生物 模型 基因 代谢物 反应 运输 子系统 引用
h . salinarum 我OG490 490年 557年 711年 111年 NA (13]
我OG478 478年 545年 664年 97年 NA (14]
m . acetivorans 我VS941 941年 708年 705年 71年 60 (15]
我MB745 745年 715年 818年 69年 30. (16]
我MAC868 868年 707年 839年 91年 31日 (17]
我ST807 807年 733年 759年 70年 30. (18]
m·巴氏细菌 我AF692 692年 558年 619年 88年 8 (19]
我MG746 746年 718年 815年 74年 31日 (20.]
m . hungatei 我Mhu428 428年 639年 721年 41 29日 (21]
m . jannaschii 我TS436 436年 510年 609年 1 113年 (22]
m . maripaludis 我MM518 518年 605年 570年 49 117年 (23]
m . mazei 我SS85 NA 74年 85年 5 NA (6]
m . smithii 我Msi385 385年 582年 525年 35 NA (24]
n pharaonis 我OG654 654年 597年 683年 88年 NA (25]
美国solfataricus 我TU515 515年 705年 718年 58 65年 (26]
表1
模型数据。公司代谢模型的基本单位是基因、代谢产物和反应。这些模型包括(1)代谢网络描述代谢物之间的连接通过反应(通常是由代谢子系统),(2)gene-protein-reaction反应的基因相关性规则,地图,和(3)连接通过交换交通环境的反应。

图2
家谱的热点模型。图表显示进化/家谱的热点模型的重建m . jannaschii在2004年。每个框代表一个单一的代谢模型,包括物种名称、模型的名称,蛋白质编码基因的比例(可用)纳入模型。Crenarchaeota王国的唯一代表28用橙色突出。

Nonmethanogenic热点宝石建设在很大程度上由Dieter Oesterhelt研究小组的工作。2008年,他们发布了第一个手动策划宝石Halobacterium salinarumr 1 (我OG478) [13]。这是2010年新的haloalkaliphile宝石,Natronomonas pharaonis(我OG654) [25],它继承了显著的h . salinarum模型。唯一的其他nonmethanogenic热点宝石据我们所知是建于2012年的独立硫化叶菌solfataricus这种由et al。26]。

尽管古生菌自1980年代以来已建立生命的第三领域的开创性工作卡尔伍斯和合作者3- - - - - -5,7,10),缺乏实验数据的各种热点的代谢特点解释了为什么这么少宝石是迄今为止建造的。然而,早期发展阶段的热点宝石为社区提供了一个成熟的机会掌握古细菌代谢网络的核心管理属性,或许采用标准化的建模实践,以促进更高效的沟通人员之间的代谢信息。

4所示。产烷生物的宝石

4.1。甲烷生成框架

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。

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图3
甲烷生成途径框架。(a)的基本结构主要生长基质的甲烷生成显示所有产甲烷菌进入途径。最简单的产甲烷菌只生长在有限的能力2/小时2和/或甲酸而最复杂的产甲烷菌也methylotrophic和acetotrophic增长的能力。H4S / MPT代表tetrahydrosarcinapterin (H4SPT)和tetrahydromethanopterin (H4MPT)。前者是发现只在Methanosarcinales而后者在所有其他产甲烷菌。(b)虚拟甲烷生成途径m . hungatei(我Mhu428) [21]。虽然不能使用醋酸作为能量来源,乙酸途径采取了航天飞机到糖质新生仍然存在。(c)虚拟甲烷生成途径m . acetivorans(我ST807) [29日]。传统的有限公司2降低途径只有逆向运行,因为这不能代谢产烷生物有限公司2。(d)虚拟甲烷生成途径m·巴氏细菌(我AF692) [19)的相似性好m . acetivorans。两个生物甲烷生成途径之间的主要区别在于电子传递链(等)。每个产烷生物的具体路径遵循相同的拓扑结构一般甲烷生成插图。红圈是代谢产物而绿色钻石表示酶反应的途径。
4.2。产烷生物的宝石

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)。
分子 我OG490 /我OG478 我VS941 我MB745 / /我ST807 我AF692 我MG746 我Mhu428 我MM518 我Msi385 我OG654
氨基酸 0.894 0.869 0.889 0.858 0.852 0.889 0.662 0.904 0.908 NA
DNA 0.003 0.018 0.013 0.016 0.008 0.013 0.013 0.016 0.012 NA
核糖核酸 0.086 0.090 0.076 0.102 0.100 0.076 0.080 0.077 0.066 NA
脂质 0.015 0.009 0.008 0.009 0.009 0.008 0.277 0.002 0.013 NA
碳水化合物 NA 0.002 0.009 0.002 0.008 0.009 0.0004 NA NA NA
可溶池 0.001 0.013 0.006 0.013 0.016 0.006 0.0081 NA 0.001 NA
我MAC868模型采用了我逐字MB745生物质表达式。 美国solfataricus不详细生物质组件和模型不可以查询。“溶池”包括各种维生素、代数余子式和微量金属。
表2
细胞的摩尔分数。每个古生菌的生物量的组成由主要类别。
我OG490 /我OG478 我VS941 我MB745 / /我ST807 我AF692 我MG746 我JH428 我MM518 我Msi385
潮湿的 0.0025 0.0360 0.0234 0.0331 0.0327 0.0232 0.0370 0.0331 0.027 NA
dCMP 0.0049 0.0234 0.0175 0.0215 0.0212 0.0176 0.0196 0.0215 0.016 NA
dGMP 0.0025 0.0234 0.0175 0.0215 0.0212 0.0176 0.0173 0.0215 0.016 NA
dTMP 0.0051 0.0360 0.0237 0.0331 0.0327 0.0236 0.0376 0.0231 0.027 NA
AMP 0.0618 0.0012 0.143 0.1846 0.1782 0.1152 0.1795 0.2222 0.155 NA
CMP 0.131 0.1637 0.115 0.1379 0.1361 0.1008 0.1780 0.1379 0.086 NA
GMP 0.131 0.2637 0.101 0.2222 0.2193 0.1200 0.1609 0.2222 0.086 NA
人民运动联盟 0.0619 0.1767 0.120 0.1489 0.1469 0.1440 0.1877 0.1489 0.155 NA
阿拉巴马州 0.345±0.08 0.5621 0.388 0.5621 0.5546 0.3906 0.5853 0.5621 0.557±0.005 NA
参数 0.211±0.044 0.3237 0.253 0.3237 0.3194 0.2520 0.2805 0.3237 0.378±0.022 NA
Asp 0.431±0.094 0.2638 0.301 0.2638 0.2603 0.3024 0.2805 0.2638 0.913±0.080 NA
Asn 0.099 0.2638 0.253 0.2638 0.2603 0.2520 0.2805 0.2638 NA NA
半胱氨酸 0.033 0.1002 0.07 0.1002 0.0989 0.0693 0.0915 0.1002 0.056 NA
Glu 0.72±0.22 0.288 0.450 0.2880 0.2842 0.4473 0.3170 0.288 1.074±0.135 NA
Gln 0.125 0.288 0.143 0.2880 0.2842 0.1449 0.3170 0.288 NA NA
通用电气 0.29±0.053 0.6704 0.408 0.6704 0.6615 0.4095 0.4695 0.6704 0.561±0.049 NA
他的 0.133±0.026 0.1037 0.094 0.1037 0.1023 0.0945 0.0976 0.25 0.104±0.009 NA
Ile 0.137±0.031 0.3179 0.415 0.3179 0.3137 0.4158 0.2683 0.3179 0.272±0.012 NA
低浓缩铀 0.251±0.052 0.493 0.534 0.4930 0.4865 0.5355 0.5182 0.493 0.471±0.029 NA
利斯河 0.115±0.023 0.3755 0.370 0.3755 0.3705 0.3717 0.3292 0.3755 0.219±0.017 NA
见过 0.05 0.1682 0.132 0.1682 0.1660 0.1323 0.1341 0.1682 0.028±0.012 NA
板式换热器 0.111±0.022 0.2027 0.251 0.2027 0.2000 0.2520 0.1829 0.2027 0.242±0.018 NA
箴 0.111±0.022 0.2419 0.225 0.2419 0.2387 0.2268 0.2073 0.2419 0.358±0.034 NA
所有供试 NA NA NA NA / 0.0808 NA NA NA NA NA NA NA
爵士 0.22±0.053 0.2361 0.390 0.2361 0.2330 0.3906 0.2683 0.2361 0.332±0.016 NA
用力推 0.181±0.036 0.2776 0.307 0.2776 0.2739 0.3087 0.2927 0.2776 0.415±0.011 NA
Trp 0.052 0.0622 0.060 0.0622 0.0614 0.0567 0.0061 0.0622 0.076 NA
酪氨酸 0.048±0.023 0.1509 0.210 0.1509 0.1489 0.2079 0.1585 0.1509 0.166±0.028 NA
瓦尔 0.25±0.057 0.4631 0.387 0.4631 0.4570 0.3906 0.4085 0.4631 0.480±0.061 NA
NA 70.0 65.0 70.0 65.0 47.0 29.8 50 24.86
2.0 1.75 2.5 1.75 2.0 0.6 0.4 NA 1。9
否则指出生物质系数的单位是在单位更易gDCW。 我MAC868模型采用了我逐字MB745生物质表达式。 模型是在单位摩尔/ OD-L制定。 美国solfataricus不详细生物质组件和模型不可以查询。 维护(GAM)相关联的单位是更易与ATP / gDCW。 生长相关的维护(NGAM)的单位是更易与ATP / gDCW /人力资源。
表3
生物质成分和能量需求。摩尔组成每个古生菌的生物量为核和氨基酸。此外,能源需求增长和持久性。

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。


图4
增长的特点m . acetivorans模型。使用模型模拟实验增长底物吸收的甲醇:20,乙酸:7,和公司:11.6更易gDCW /人力资源。因为实验TMA吸收利率并不可用,它被设置为6.77更易gDCW /人力资源在所有模型。这个值是由拟合我ST807载实验增长率。我VS941了不切实际的大增长收益率,因此价值增长中遗漏了收益率情节的清晰显示其他模型的性能。我VS941也没有任何给定的增长条件下甲烷生产预测。实验增长率从[30.- - - - - -40]。实验增长收益(40- - - - - -42]。实验CH4生产速度是(33,42- - - - - -44]。

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。

5。Nonmethanogen宝石

5.1。Halobacterium salinarum

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archaeumHalobacterium 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]。

5.2。Natronomonas pharaonis

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。

5.3。硫化叶菌solfataricus

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。

6。比较代谢功能

、代谢功能全面的数据库模型的生物知识;因此,他们可能有用的工具为研究进化和代谢的多样性。三个属性的特殊效用的代谢模型比较研究:(1)代谢模型连接基因功能与代谢功能通过gene-protein-reaction规则,(2)定义的代谢网络拓扑代谢物和互换的反应,而不是基因促进这些互变现象,(3)代谢网络加上建模技术允许识别的功能冗余/简并度。第一个属性允许直接比较基因内容基于代谢功能和传统进化工具的应用(例如,生物信息学和系统发育的方法)。这些属性的第二个允许网络比较函数而不是基因内容;例如,网络可以用来识别趋同进化。最后的这些属性可以用来提供洞察有机体的选择性压力;具体来说,复制功能可能建议至关重要的生物功能。

证明代谢模型进化分析我们的效用计算基因的保护促进代谢反应。一个ITEP数据库(45)221年的古菌,包括每个生物的表1使用默认参数构造。简而言之,ITEP是研究微生物pan-genomes软件工具包,它提供了功能构建一个爆炸数据库和查询蛋白质家族预测,直接同源检测和功能域分析。它的功能之一是评估代谢模型的GPRs为每个反应并决定是否同源染色体存在于另一个有机体。GPRs的m . acetivorans模型我ST807被用作db_evaluateReactionsFromGpr的输入。py函数来评估其他生物的保护。”或“选项的功能是用来评估是否为每一个基因m . acetivorans反应中存在其他古生菌。这样做对于每个生物,我们计算保护每个反应的程度(例如,分数的生物反应守恒的基因)。结果图中可以看到5。考虑到广泛的许多古菌对well-curated模型的比较m . acetivorans,这是不足为奇的程度保护在网络上相对较低(蓝色)。然而,有趣的是,最明显的保护(红色)发生在核苷酸代谢,辅酶synthesis-related反应,和各种氨基酸生物合成反应。这表明,古生菌的基本转录和翻译机械相当类似。


图5
保护的代谢反应。一个地图的程度保护的反应m . acetivorans模型我ST807(如编码gene-protein-reaction协会(GPRs)的模型)。节点代表一个代谢物或反应和边指示反应和代谢物之间的依赖关系。反应在光谱的蓝端通过酶是守恒的221年古细菌相对较少的数据库而反应在红了高度保守的酶。反应与薄灰线不与基因有关。db_evaluateReactionsFromGpr评估保护。py ITEP软件的功能(45使用了)。计算同源基因在每个反应的GPRs我ST807。ITEP函数被执行死刑”或“选项启用识别(或酶亚基)的酶是否标注为促进有机体的反应是编码。

分类的同源基因代谢子系统的注释我ST807计算ITEP借保护更具体的了解这些古生菌的代谢(见图6)。氨基酸生物合成途径通常是高度保守的(标记为蓝色的图6)。脯氨酸和半胱氨酸的生物合成是明显的例外。脯氨酸的生物合成基因注释m . acetivorans被发现在I型产甲烷菌,h . salinarum或美国solfataricus。此外,所有基因注解为合成丝氨酸和甘氨酸失踪美国solfataricus。这可能表明一个错误的注释在模型或多个脯氨酸生物合成的代谢通路。生物合成methanofuran,甲烷生成的辅因子,是令人惊讶的是守恒的超出了产甲烷菌。特别是氮代谢中是最相似的古生菌和其他以前确认(92年]。虽然这导致,而定性分析语句,它演示了如何使用信息从代谢重构代谢比较差异和代谢途径的研究进化和保护。一个类似的分析GPRs从每个代谢模型。总统计数据分析可以看到在图7(一)反应的计数显示与特定的保护水平。类似于看到的是什么m . acetivorans似乎主要反应有高度保守的(低反应唯一性)或非常卑微的守恒(高反应唯一性)。这不是一个惊人的观察,它早就知道,代谢网络有一个领结拓扑(93年和一般无标度网络94年]。交叉对比这些保护预测细节超出了本文的范围;然而,我们觉得我们演示了使用代谢重构工具的效用比较新陈代谢。


图6
分数的守恒的反应。分组的信息如图5通过代谢子系统(注释我ST807)。每个酒吧的整体高度表示反应代谢子系统的总分数是守恒的,而个人的高度部分中的每一栏显示的相对保护反应子系统的有机体。221年古菌被分类顺序分组,产生12个不同的组的传奇。代谢子系统标签颜色编码:氨基酸代谢子系统在蓝色,维生素和辅因子代谢子系统在绿色,中央新陈代谢子系统为红色,黑色和其他类别。
(一)”name=
(一)
(b)”name=
(b)
图7
代谢模型的多样性和发展史。(a)的独特性的反应在每个代谢模型。在这里,我们定义唯一性的分数221古生菌,目前没有反应出现在各自的模型;更高的独特性意味着更少的生物体包含注释的基因编码酶的GPRs指定的模型。计算基因的存在使用ITEP作为图中讨论5。(b)系统发育树计算基于相似m . acetivorans模型我ST807。这棵树是基于ITEP结果图中讨论5。

7所示。结论

我们已经提出概述公司的代谢模型,讨论了定义古生菌代谢功能的宝石。在这些讨论中,我们也强调了一些急需改进模型建设实践,以促进开发的热点模型。通过使用gene-protein-reaction协会在这些热点的宝石,我们也证明这些代谢模型的无价的效用可以超越通量分析得到重要的洞察,进化的模式生物之一。可视化的已知古细菌代谢模型在种系发生树(参见图1)导致的结论是,模型在社区发展到目前为止主要关注Euryarchaeota,离开Crenarchaeota进行调查。虽然模型尚不存在的成员Archaeoglobi, Thermoplasmata,和Thermococci类,至少有一个代表所有其他主要Euryarchaeota类模型。这不是低估的重要性进一步发展这些Euryarchaeota模型作为Archaeoglobi任何Euryarchaeota一些最多样化的新陈代谢,减少无机化能营养的硫酸盐的能力,通过减少硫酸盐硫代硫酸盐、硝酸盐、异养通过有机化合物(95年]。然而,Crenarchaeota宝石的缺乏是一个主要障碍的综合研究进化和古生菌的多样性。宝石是无价的工具来帮助指导勘探和代谢多样性的比较节能的这些生物体能够减少硫酸chemolithotrophically和heterotrophically (Desulfococcales成员),硝酸还原(Thermoproteales成员)氢氧化和硫还原(Sulfolobales成员)95年]。不同的节能途径的存在可能会有不同的电子传递链和运输系统。理解这些独特的特点将在理解最重要的增长在极端条件下和syntrophy微生物以及工程社区为生物技术的应用程序。

相互竞争的利益

作者宣称没有利益冲突。

确认

这种材料是基于工作由美国能源部科学办公室,办公室的生物和环境研究,“奖号码DE-FG02-10ER6510(沙滩Luthey-Schulten), NASA批准号NNA13AA91A (ShengShee雷神,沙滩Luthey-Schulten)。这种材料是基于工作由美国国家科学基金会支持下研究生研究奖学金计划批准号dge - 1144245(约瑟夫·r·彼得森)。

补充材料

补充数据包括四个以前公布的模型的修改版本甲烷八叠球菌属acetivorans反应和代谢物标识符已经标准化,允许直接比较。这些模型被用于m . acetivorans的比较研究的回顾。模型提出了用格式兼容COBRAPy和眼镜蛇工具箱软件包。模型最初出版:1)iVS941 Kumar et al . 2011, 2) iMB745本笃et al . 2012, 3) iMAC868 Nazem-Bokaee et al . 2016,和4)iST807彼得森et al . 2016。

  1. 补充材料

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