膜およびプロテオーム割り当て制約と大腸菌モデルにおけるオーバーフロー代謝

科学分野:

• 微生物生理学
• システム生物学
• 代謝工学

背景:

• 微生物代謝は、オーバーフロー代謝などの現象につながる有限の細胞リソース割り当てによって支配されています。
• 既存のプロテオーム制約モデルは、特に細胞膜の場合、タンパク質局在化の生物物理学的コストを見落としがちです。

研究 の 目的:

• 膜特異的リソース制約を組み込んだ新しい代謝モデルを開発すること。
• 微生物生理学の予測における全体的なプロテオーム制限と膜割り当ての間の相互作用を調査すること。
• オーバーフロー代謝のメカニズム的基礎と異種タンパク質発現の代謝負荷を明らかにすること。

主な方法:

• ゲノムスケール代謝モデルである膜関連制約フラックスバランス解析（MAFBA）を開発しました。
• 細胞膜に割り当てられた総タンパク質質量に対する調整可能な制約を導入しました。
• 全体的なプロテオーム制約と膜関連プロテオーム制約の間の相互作用を分析しました。

主要な成果:

• MAFBAは、プロテオームと膜の制約を統合することにより、オーバーフロー代謝の開始を正確に予測します。
• 高い増殖速度は膜割り当ての競争につながり、トレードオフを強制して酢酸産生をもたらします。
• 異種膜タンパク質の発現は、細胞質タンパク質よりも高い代謝負荷を伴うことを示しました。

結論:

• 膜リソース割り当ては、全体的なプロテオーム制限と並んで機能する細菌生理学の重要な制約です。
• MAFBAは、膜結合タンパク質の代謝コストを予測するためのフレームワークを提供し、合成生物学と代謝工学を支援します。
• このモデルは、改善されたバイオ生産と代謝工学アプリケーションのための株設計を容易にします。