[논문 리뷰] Genotype networks in metabolic reaction spaces

Areejit Samal, João F. Matias Rodrigues외 3명|Zurich Open Repository and Archive (University of Zurich)|2010. 01. 01.

Microbial Metabolic Engineering and Bioproduction인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 최소 환경에서 다양한 탄소원을 사용할 때 생존을 유지할 수 있는 대사 반응 조합의 광범위하고 연결된 집합인 게노타입 네트워크를 조사한다. 게놈 수준의 대사 모델을 사용하여 이러한 네트워크가 랜덤한 반응 손실에 대해 매우 강건하며, 네트워크 크기에 관계없이 거의 전체 게노타입 공간을 차지하고 있음을 밝혀내어, 다양한 환경에서 대사 표현형의 일반적이고 내성적인 조직 구조를 시사한다.

ABSTRACT

Background: A metabolic genotype comprises all chemical reactions an organism can catalyze via enzymes encoded in its genome. A genotype is viable in a given environment if it is capable of producing all biomass components the organism needs to survive and reproduce. Previous work has focused on the properties of individual genotypes while little is known about how genome-scale metabolic networks with a given function can vary in their reaction content. Results: We here characterize spaces of such genotypes. Specifically, we study metabolic genotypes whose phenotype is viability in minimal chemical environments that differ in their sole carbon sources. We show that regardless of the number of reactions in a metabolic genotype, the genotypes of a given phenotype typically form vast, connected, and unstructured sets -- genotype networks -- that nearly span the whole of genotype space. The robustness of metabolic phenotypes to random reaction removal in such spaces has a narrow distribution with a high mean. Different carbon sources differ in the number of metabolic genotypes in their genotype network; this number decreases as a genotype is required to be viable on increasing numbers of carbon sources, but much less than if metabolic reactions were used independently across different chemical environments. Conclusions: Our work shows that phenotype-preserving genotype networks have generic organizational properties and that these properties are insensitive to the number of reactions in metabolic genotypes.

연구 동기 및 목표

• 최소 환경에서 생존을 유지할 수 있는 대사 게노타입의 반응 구성이 어떻게 다양해지는지 이해하기 위해.
• 다양한 탄소원에서 게노타입 네트워크의 위상적 구조와 연결성에 대해 조사하기 위해.
• 이러한 네트워크 내에서 랜덤한 반응 제거에 대한 대사 표현형의 강건성 평가하기 위해.
• 여러 탄소원에서 생존이 요구될 경우 게노타입 네트워크의 크기가 어떻게 변화하는지 규명하기 위해.

제안 방법

• 각 환경는 단일 탄소원으로 정의된 다양한 최소 환경에 대해 게놈 수준의 대사 모델을 구축하였다.
• 게노타입은 모든 필수 생물학적 물질을 생성할 수 있는 대사 반응 집합으로 정의되었다.
• 각 환경 조건 하에서 생존을 유지할 수 있는 모든 반응 조합을 식별하여 타당한 게노타입의 네트워크를 생성하였다.
• 반응의 랜덤 제거 후 생존하는 게노타입의 비율을 측정하여 강건성을 정량화하였다.
• 그래프 이론적 방법을 사용하여 게노타입 네트워크의 연결성 및 구조적 특성을 분석하였다.
• 다양한 환경 간의 게노타입 네트워크의 교차를 계산하여 다수의 탄소원에서 생존이 요구될 경우의 영향을 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다양한 탄소원을 가진 최소 환경에서 타당한 대사 게노타입은 반응 공간에 어떻게 분포되어 있는가?
• RQ2 게노타입 네트워크의 위상적 구조는 무엇인가—특히 연결되어 있으며, 전체 게노타입 공간 대비 크기는 얼마나 되는가?
• RQ3 이러한 게노타입 네트워크 내에서 랜덤한 반응 손실에 대한 대사 표현형의 강건성은 어떠한가?
• RQ4 생존이 여러 탄소원에서 요구될 경우 게노타입 네트워크의 크기는 어떻게 변화하는가?
• RQ5 게노타입 네트워크의 조직적 특성은 대사 네트워크에 포함된 반응 수에 따라 달라지는가?

주요 결과

• 특정 표현형에 대한 게노타입 네트워크는 넓고 매우 연결되어 있으며, 네트워크 내 반응 수에 관계없이 거의 전체 게노타입 공간을 차지한다.
• 대사 표현형의 랜덤한 반응 제거에 대한 강건성은 평균이 높고 분포가 좁게 퍼져 있어, 다양한 네트워크 간 일관된 내성성을 나타낸다.
• 생존이 요구되는 탄소원의 수가 증가함에 따라 게노타입 네트워크의 크기는 감소하지만, 반응이 각 환경에서 독립적으로 사용된다고 가정했을 때 예상되는 감소보다는 훨씬 적다.
• 다른 탄소원에 대한 게노타입 네트워크 간에 상당한 겹침이 존재하여, 다양한 환경 간 공통된 대사 구조가 존재함을 시사한다.
• 게노타입 네트워크의 조직적 특성—예를 들어 연결성과 강건성—은 대사 네트워크의 크기에 민감하지 않으며 일반적인 성질임을 나타낸다.
• 이 연구는 대사 표현형이 네트워크 크기나 환경 복잡성에 제약을 받지 않는 매우 강건하고 비정형적인 네트워크에 의해 코딩됨을 보여준다.