[논문 리뷰] A compact model of Escherichia coli core and biosynthetic metabolism

Marco Corrao, Hai He외 3명|arXiv (Cornell University)|2024. 06. 24.

Microbial Metabolic Engineering and Bioproduction인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 *Escherichia coli* K-12 MG1655의 핵심 대사 및 생합성 대사에 중점을 둔 수동으로 코딩된 중규모 대사 모델 iCH360을 제시한다. iML1515 유전자 스케일 모델에서 서브넷워크를 추출하고 최신 애노테이션, 열역학적 데이터, 정량적 제약 조건을 통합함으로써, 효소 제약이 있는 FBA, 기본 유량 모드 분석, 열역학적 선별과 같은 더 정확하고 해석 가능한 분석을 가능하게 하며, 시스템 생물학 및 대사 공학 적용 분야에서 강력한 기준 모델을 제공한다.

ABSTRACT

Metabolic models condense biochemical knowledge about organisms in a structured and standardised way. As large-scale network reconstructions are readily available for many organisms, genome-scale models are being widely used among modellers and engineers. However, these large models can be difficult to analyse and visualise and occasionally generate predictions that are hard to interpret or even biologically unrealistic. Of the thousands of enzymatic reactions in a typical bacterial metabolism, only a few hundred form the metabolic pathways essential to produce energy carriers and biosynthetic precursors. These pathways carry relatively high flux, are central to maintaining and reproducing the cell, and provide precursors and energy to engineered metabolic pathways. Focusing on these central metabolic subsystems, we present iCH360, a manually curated medium-scale model of energy and biosynthesis metabolism for the well-studied bacterium Escherichia coli K-12 MG1655. The model is a sub-network of the most recent genome-scale reconstruction, iML1515, and comes with an updated layer of database annotations and with a range of metabolic maps for visualisation. We enriched the stoichiometric network with extensive biological information and quantitative data, enhancing the scope and applicability of the model. In addition, we assess the properties of this model in comparison to its genome-scale parent and demonstrate the use of the network and supporting data in various scenarios, including enzyme-constrained flux balance analysis, elementary flux mode analysis, and thermodynamic analysis. Overall, we believe this model holds the potential to become a reference medium-scale metabolic model for E. coli.

연구 동기 및 목표

• 대규모 유전자 스케일 모델(GEM)의 한계, 즉 계산 복잡성과 생물학적으로 비현실적인 예측을 해결하기 위해 핵심 대사 서브시스템에 중점을 둔 중규모 모델을 개발한다.
• 기존의 ECC 및 ECC2와 같은 핵심 모델의 범위 제한을 극복하기 위해 대사 공학에 관련된 핵심 생합성 경로를 포함하지 않는 문제를 해결한다.
• 스티오이오메트릭, 열역학적, 기능적 애노테이션 데이터를 통합하여 예측 정확도와 생물학적 해석 가능성의 향상을 도모한다.
• 관리 가능한 네트워크이면서도 종합적인 특성을 지닌 모델을 제공함으로써, 효소 제약이 있는 FBA, 기본 유량 모드(EFM) 분석, 열역학적 선별과 같은 고급 분석 기법을 가능하게 한다.

제안 방법

• iCH360 모델은 핵심 및 생합성 경로에 중점을 두어, 유전자 스케일 모델인 iML1515의 서브넷워크로 유도된 것으로, 에너지 및 전구체 생산에 필수적인 경로를 포함한다.
• 반복적인 수동 코딩을 통해 반응 방향성, 유전자-반응 연관성, 기능적 애노테이션의 일관성을 확보하고 최신 데이터베이스 매핑 통합을 수행하였다.
• 스티오이오메트릭 네트워크에 표준 자유 에너지 변화($\Delta G'^\circ$) 및 불확실성 범위를 포함한 열역학적 데이터를 확장하여 통합하였다.
• 열역학적 추정치의 불확실성과 생리학적 대사산물 농도의 범위를 고려하여, 최대 최소 구동력(MDF)을 계산하기 위한 이차 제약 프로그램(QCP)을 수립하였다.
• 효소 용량 제약 조건 하에서의 유량 분포를 평가하기 위해 효소 제약이 있는 유량 균형 분석(ecFBA)을 적용하였다.
• PTA 패키지를 사용하여 확률적 열역학적 분석(PTA)을 수행하여, 유량-력 효율($\eta$)을 계산하고 생리학적 조건 하에서의 열역학적 상태를 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 핵심 생합성 대사 경로를 유지하면서도 대규모 GEM보다 더 높은 해석 가능성과 정확도를 확보할 수 있는 *E. coli*의 중규모 대사 모델을 구축할 수 있는가?
• RQ2 열역학적 제약 조건과 불확실성 통합이 코딩된 모델에서 유량 예측의 생물학적 현실성에 어떻게 기여하는가?
• RQ3 iCH360 모델이 전체 유전자 스케일 GEM에 비해 기본 유량 모드(EFM) 분석 및 효소 제약이 있는 FBA와 같은 고급 분석 기법을 얼마나 잘 지원하는가?
• RQ4 예측된 유량-력 효율이 생리학적으로 관련성이 있는 조건 하에서 실험적 효소 농도 데이터와 얼마나 잘 일치하는가?
• RQ5 세부 정보, 정확도, 해석 가능성의 균형을 유지함으로써, 대사 공학 및 시스템 생물학 적용 분야에서 신뢰할 수 있는 기준 모델로 활용될 수 있는가?

주요 결과

• iCH360 모델은 360개의 반응과 334개의 대사산물을 포함하며, iML1515 GEM에서 유도된 컴팩트하면서도 종합적인 *E. coli* 핵심 및 생합성 대사의 표현이다.
• 최신 유전자-반응 매핑과 광범위한 기능적 애노테이션을 포함하여, 시스템 생물학 및 모델의 해석 가능성 향상에 기여한다.
• 열역학적 분석 결과, 유량-력 효율 $\eta > 0.5$를 가지는 72개의 반응이 평형에서 멀리 떨어져 있어 강력한 구동력이 있음을 확인하였으며, 이는 높은 유량과 불가역적 작동과 일치한다.
• 생리학적 대사산물 농도의 범위와 90% 신뢰구간을 사용한 최대 최소 구동력(MDF) 계산은 열역학적 타당성에 대한 견고한 추정치를 제공하였다.
• 유량-력 효율 분석 결과, 높은 $\eta$ 값과 높은 효소 농도 사이에 강한 상관관계를 확인하였으며, 이는 모델의 생리학적 유량 상태에 대한 예측 능력을 검증하였다.
• EFM 및 ecFBA와 같은 고급 분석 기법을 효율적으로 적용할 수 있으며, 이는 전체 스케일 GEM에서는 계산적으로 불가능한 기법들이다. 따라서 이는 세밀한 대사 연구를 위한 실용적인 대안을 제공한다.