[论文解读] Evaluating the stoichiometric and energetic constraints of cyanobacterial diurnal growth

Alexandra-M. Reimers, Henning Knoop+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 21, 2016

Algal biology and biofuel production参考文献 28被引用 5

一句话总结

本研究开发了一种基于约束的、基因组规模的代谢模型，用于评估蓝细菌Synechococcus elongatus PCC 7942在昼夜光暗周期下生长的化学计量与能量约束。通过将时间依赖的生物大分子合成建模为自催化过程，该框架能够预测出诸如糖原积累等涌现的昼夜节律模式，其时间特征反映了不同细胞目标之间的权衡，为在光暗循环条件下优化光合生物资源分配提供了一种可推广的方法。

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.

研究动机与目标

• 理解化学计量与能量约束如何塑造蓝细菌在昼夜光暗周期下的细胞资源分配。
• 开发一种自洽的、自催化光合生长模型，以考虑生物大分子的时间依赖性合成。
• 基于最少且明确定义的假设与参数，预测涌现的昼夜行为（如糖原积累）。
• 评估代谢物分配与蛋白质分配策略在应对昼夜代谢需求时的最优性。
• 为分析光合生物在周期性环境条件下的代谢策略提供一种可推广的框架。

提出的方法

• 以Synechococcus elongatus PCC 7942的基因组规模代谢重建为基础，用于建模生物大分子合成。
• 使用时间依赖的差分质量平衡方程追踪关键生物大分子的丰度，包括代谢酶、核糖体、光系统和转运蛋白。
• 通过其相应蛋白质的可用性约束代谢反应中的酶容量，从而在蛋白质合成与代谢通量之间形成反馈回路。
• 该模型整合了光合光反应、通过卡尔文-本森循环的碳固定，以及利用光能产生的能量和还原力进行细胞组分的生物合成。
• 将资源分配建模为在能量与化学计量约束下的优化问题，以生长速率为目标函数。
• 该方法通过在蛋白质合成与代谢能力之间引入动态、自催化反馈，扩展了基于约束的建模方法。

实验结果

研究问题

• RQ1 在昼夜光条件下，生物大分子合成的时间与分配如何影响蓝细菌的整体生长速率？
• RQ2 在昼夜周期中，糖原积累模式的出现受何种权衡机制支配？
• RQ3 在仅基于一组最小的化学计量与能量约束下，能否准确预测观察到的昼夜代谢行为？
• RQ4 在完整的昼夜周期中，光合蛋白、核糖体蛋白与代谢蛋白的相对丰度如何协同变化以实现最优生长？
• RQ5 是否能够通过一个自洽的、自催化模型在不拟合参数的情况下重现实验观测到的昼夜动力学？

主要发现

• 该模型成功预测了由光依赖性能量输入与蛋白质合成约束相互作用所引发的糖原积累周期性模式。
• 结果表明，糖原积累的时间点代表了在昼夜条件下最大化生长速率与维持代谢灵活性之间的权衡。
• 模型预测干重为1.5 pg，其中35.7%的干重归因于非代谢蛋白，2.44%归因于色素，与实验测量结果一致。
• 光系统II与I复合物的相对化学计量，包括PsbA与PsaA等亚基，与已知的体内组成相符。
• 该模型再现了在光相与暗相之间细胞资源在光合作用、生物合成与核糖体生产之间的动态分配。
• 该框架仅基于一组有限的、具有生物学基础的参数，即可实现对完整昼夜周期内生长特性的从头预测。