[논문 리뷰] Evaluating the stoichiometric and energetic constraints of cyanobacterial diurnal growth

Alexandra-M. Reimers, Henning Knoop외 2명|arXiv (Cornell University)|2016. 10. 21.

Algal biology and biofuel production참고 문헌 28인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 Synechococcus elongatus PCC 7942에서 일주기 성장에 미치는 스토이히오메트릭 및 에너제틱 제약를 평가하기 위해 제약 기반의 전개형 대사 모델을 개발한다. 시간에 따라 변화하는 고분자 합성을 자가촉매 과정으로 모델링함으로써, 이 프레임워크는 글리코겐 축적과 같은 타당한 일주기 패턴을 예측하며, 이는 서로 다른 세포적 목표 간의 상충관계를 반영한다. 이는 빛-어둠 사이클 조건 하에서 광합성 자원 할당을 최적화하기 위한 일반화 가능한 접근법을 제공한다.

ABSTRACT

Cyanobacteria are an integral part of the Earth's biogeochemical cycles and a promising resource for the synthesis of renewable bioproducts from atmospheric CO2 . Growth and metabolism of cyanobacteria are inherently tied to the diurnal rhythm of light availability. As yet, however, insight into the stoichiometric and energetic constraints of cyanobacterial diurnal growth is limited. Here, we develop a computational platform to evaluate the optimality of diurnal phototrophic growth using a high-quality genome-scale metabolic reconstruction of the cyanobacterium Synechococcus elongatus PCC 7942. We formulate phototrophic growth as a self-consistent autocatalytic process and evaluate the resulting time-dependent resource allocation problem using constraint-based analysis. Based on a narrow and well defined set of parameters, our approach results in an ab initio prediction of growth properties over a full diurnal cycle. In particular, our approach allows us to study the optimality of metabolite partitioning during diurnal growth. The cyclic pattern of glycogen accumulation, an emergent property of the model, has timing characteristics that are shown to be a trade-off between conflicting cellular objectives. The approach presented here provides insight into the time-dependent resource allocation problem of phototrophic diurnal growth and may serve as a general framework to evaluate the optimality of metabolic strategies that evolved in photosynthetic organisms under diurnal conditions.

연구 동기 및 목표

• 일주기 빛-어둠 사이클 조건 하에서 세포 자원 할당을 형성하는 스토이히오메트릭 및 에너제틱 제약를 이해하기 위해.
• 시간에 따라 변화하는 고분자 합성을 고려한 자기일관성 있고 자가촉매적인 광합성 성장 모델을 개발하기 위해.
• 최소한의 명확하게 정의된 가정과 파라미터에 기반하여, 글리코겐 축적과 같은 잠재적 일주기 행동을 예측하기 위해.
• 일주기 대사 요구 조건에 대한 대사산물 분배 및 단백질 할당 전략의 최적성 평가를 위해.
• 주기적 환경 조건 하에서 광합성 생물의 대사 전략을 분석하기 위한 일반화 가능한 프레임워크를 제공하기 위해.

제안 방법

• Synechococcus elongatus PCC 7942의 전개형 대사 재구성을 고분자 합성 모델링의 기초로 사용한다.
• 시간에 따라 변화하는 미량 대사물질의 농도를 추적하기 위해 차분 질량 보존 방정식을 적용하며, 이는 대사 효소, 리보솜, 광합성계, 수송체를 포함한다.
• 대사 반응에서 효소의 능력은 해당 단백질의 가용성에 의해 제약을 받으며, 이는 단백질 합성과 대사 유량 사이에 피드백 루프를 형성한다.
• 모델은 빛에서 유도된 에너지와 환원력을 이용해 광합성 빛 반응, 칼빈-벤슨 회로에 의한 탄소 고정, 세포 성분의 생합성을 통합한다.
• 자원 할당은 에너지 및 스토이히오메트릭 제약 조건 하에서 최적화 문제로 설정되며, 성장률이 목적 함수로 사용된다.
• 이 접근법은 단백질 합성과 대사 능력 간의 동적 자가촉매 피드백을 통합함으로써 제약 기반 모델링을 확장한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 빛-어둠 사이클 조건 하에서 고분자 합성의 시기와 분배는 시아노박테리아의 총 성장률에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 일주기 주기 동안 글리코겐 축적 패턴이 나타나는 데 영향을 미치는 상충관계는 무엇인가?
• RQ3 관측된 일주기 대사 행동은 최소한의 스토이히오메트릭 및 에너제틱 제약 조건으로 얼마나 잘 예측될 수 있는가?
• RQ4 광합성, 리보솜, 대사 단백질의 상대 농도는 전체 일주기 동안 어떻게 공변동하며 성장 최적화를 위해 조절되는가?
• RQ5 자기일관성 있고 자가촉매적인 모델은 파rameter fitting 없이도 실험적으로 관측된 일주기 동역학을 재현할 수 있는가?

주요 결과

• 모델은 빛에 의한 에너지 입력과 단백질 합성 제약 간의 상호작용으로 인해 발생하는 주기적 글리코젠 축적 패턴을 성공적으로 예측한다.
• 글리코젠 축적의 시기적 배치는 일주기 조건 하에서 성장률을 극대화하고 대사 유연성을 유지하는 데서 발생하는 상충관계를 반영한다.
• 모델은 건량 무게 1.5 pg를 예측하며, 이 중 35.7%는 비대사 단백질, 2.44%는 색소에 기인하며, 이는 실험 측정치와 일치한다.
• 광합성계 II 및 I 복합체의 상대 스토이히오메트리, 특히 PsbA 및 PsaA와 같은 서브유닛의 조성이 알려진 생체 내 조성과 일치한다.
• 모델은 빛기 및 어둠기 동안 광합성, 생합성, 리보솜 생산 간의 세포 자원 동적 분배를 재현한다.
• 이 프레임워크는 생물학적으로 타당한 파라미터의 좁은 집합만을 사용하여 전체 일주기 주기 동안 성장 특성을 사전 예측할 수 있다.