От прогнозов к реальности: Геномика раскрывает метаболический потенциал микроба
Понимание метаболизма организма позволяет ученым получить важные сведения о том, как он использует ресурсы. Это, в свою очередь, позволяет модифицировать метаболизм для более эффективного использования ресурсов в полезных целях, например, для снижения загрязнения почвы или эффективного производства биотоплива и других ценных химических веществ.
С целью биотоплива сотрудники Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории (PNNL), Института медицинских исследований Бернхема, Университета Висконсин-Мэдисон и Дартмутского колледжа использовали вычислительные и высокопроизводительные экспериментальные подходы для реконструкции метаболической сети Shewanella oneidensis. Это позволило команде разработать прогностическое понимание метаболизма микроба.
Shewanella давно представляет интерес для Министерства энергетики США из-за способности восстанавливать металлы и радионуклиды посредством внеклеточного переноса электронов. Это также делает метаболически универсальный организм идеальным кандидатом для использования в микробных топливных элементах. В 2002 году штамм S. oneidensis MR-1 стал одним из первых бактерий, чей геном был полностью секвенирован, что дало первоначальное представление о нераскрытом метаболическом потенциале организма и заложило основу для последующих исследований.
«Чтобы оптимизировать процесс переноса электронов и метаболизм углерода для направления метаболизма Shewanella на производство биотоплива, нам необходимо понимать и прогнозировать метаболизм клетки на системном уровне. Моделирование клеточного метаболизма in silico — с помощью компьютерного моделирования — является ключом к достижению этой цели», — сказал доктор Григорий Пинчук, ведущий автор статьи в PLoS Computational Biology.
«Клетки Shewanella получают энергию, окисляя органические соединения и передавая электроны по цепи, — добавил Пинчук. — Клетки используют эту энергию для всех видов функций, включая биосинтез новых клеточных компонентов. Оптимальный транспорт электронов и метаболизм углерода важны для благополучия клетки. Вот почему моделирование в масштабе генома в сочетании с экспериментальными подходами критически важно для более глубокого понимания метаболизма и уточнения модели, чтобы конечные результаты лучше отражали реальный мир. Это поможет нам проектировать процессы с помощью компьютерного моделирования, а затем реализовывать их».
Shewanella также является интересным кандидатом для производства биотоплива из-за способности синтезировать значительные количества предшественников биотоплива, таких как липиды и жирные кислоты. Пинчук отметил: «Казалось, что если мы сможем глубоко понять энергетику и метаболизм Shewanella, мы сможем использовать эту способность».
Исследовательская группа построила метаболическую модель в масштабе генома и использовала ее для анализа экспериментальных данных и прогнозирования клеточных фенотипов. Они сравнили прогнозируемый выход клеточной биомассы на разных источниках углерода в присутствии кислорода с экспериментальными измерениями. Результаты были использованы для уточнения метаболических потоков для роста на лактате — источнике пищи и энергии для бактерии. Анализ метаболизма S. oneidensis MR-1 выявил некоторые причины значительной разницы между экспериментальной и прогнозируемой эффективностью роста на лактате. Разработанная модель представляет собой платформу для систематической оценки метаболизма Shewanella, которая может быть использована для перепроектирования метаболических сетей для химического производства.
Ученые продолжают углублять понимание метаболических путей и их работы на уровне целой клетки и даже в смешанных культурах, чтобы привести к быстрой и эффективной переработке биотоплива. Кроме того, коллеги из PNNL в Университете Миннесоты недавно показали, что Shewanella производит полиолефиновый углеводород, который обеспечит более прямой путь к биодизелю.