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Validated In Silico Population Model of Escherichia coli.
ACS Synth Biol · 2022 · 11:2672-2684 · PMID 35801944 · 등급6 세포·모델 in vitro · 물질과 작용기전 > EPSPS·시킴산 경로 · 미생물 · 제형(GBH)
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플럭스 균형 분석(FBA)과 상미분방정식 모델은 세포의 대사 기능을 설명하는 데 중요한 역할을 해왔다. 그럼에도 불구하고, 이들은 개체군의 평균적인 행동(개체들의 합산)을 보여주어 동질성을 나타낸다. 그러나 에스케리히아 콜라이와 같은 생물체는 관여하는 대사물질보다 더 많은 생화학 반응을 포함하고 있어, 이는 과소결정되고 퇴화된 시스템이 된다. 그 결과, 다양한 대사 패턴을 가진 이질적인 개체군이 형성된다. 본 연구에서는 고유한 생화학적 서명을 가진 다양한 대사 구성을 모방하여 이러한 퇴화 현상을 예측하는 개체군 시스템 생물학 모델을 정립하였다. 이 모델은 정상적인 성장 조건 하에서도 박테리아의 아집단이 독특한 생화학적 상태를 유도하며, 이는 대사산물의 합성 및 항생제 내성 및 바이오필름의 지속성 전구체(persister progenitors)로 이어진다는 보편적으로 받아들여지는 실험적 관행을 모방한다. 우리는 상업적으로 중요한 이종(이소부타놀) 및 동종(쉬키미산) 대사산물을 생산함으로써 플랫폼의 예측을 검증하였다. 예측된 플럭스는 시험관 내에서 테스트되었으며, 그 결과 각각 32배와 42배 증가한 이소부타놀과 쉬키미산 생성물이 얻어졌다. 나아가, 우리는 대사 경로 저해제인 글리포세이트가 존재하는 환경에서 박테리아 개체군을 모방함으로써 플랫폼의 유효성을 입증하였다. 여기서 우리는 억제에도 불구하고 생존하는 일부 지속성 전구체를 관찰하였으며, 이는 이질적인 개체군의 서명을 확증한다. 본 플랫폼은 사용자의 목적에 따라 다양한 활용이 가능하다.
ORIGINAL ABSTRACT
Flux balance analysis (FBA) and ordinary differential equation models have been instrumental in depicting the metabolic functioning of a cell. Nevertheless, they demonstrate a population's average behavior (summation of individuals), thereby portraying homogeneity. However, living organisms such as Escherichia coli contain more biochemical reactions than engaging metabolites, making them an underdetermined and degenerate system. This results in a heterogeneous population with varying metabolic patterns. We have formulated a population systems biology model that predicts this degeneracy by emulating a diverse metabolic makeup with unique biochemical signatures. The model mimics the universally accepted experimental view that a subpopulation of bacteria, even under normal growth conditions, renders a unique biochemical state, leading to the synthesis of metabolites and persister progenitors of antibiotic resistance and biofilms. We validate the platform's predictions by producing commercially important heterologous (isobutanol) and homologous (shikimate) metabolites. The predicted fluxes are tested in vitro resulting in 32- and 42-fold increased product of isobutanol and shikimate, respectively. Moreover, we authenticate the platform by mimicking a bacterial population in the presence of glyphosate, a metabolic pathway inhibitor. Here, we observe a fraction of subsisting persisters despite inhibition, thus affirming the signature of a heterogeneous populace. The platform has multiple uses based on the disposition of the user.
저자Rajagopal, S.; Hmar, R. V.; Mookherjee, D.; Ghatak, A.; Shanbhag, A. P.; Katagihallimath, N.; Venkatraman, J.; Ks, R.; Datta, S.
저널ACS synthetic biology
권·호·쪽11(8), 2672-2684
PMID35801944
DOI10.1007/s10021-009-9297-6
MeSHComputer Simulation; Escherichia coli; Escherichia coli Proteins; Humans; Metabolic Networks and Pathways; Models, Biological
APA 7판
Rajagopal, S., Hmar, R. V., Mookherjee, D., Ghatak, A., Shanbhag, A. P., Katagihallimath, N., Venkatraman, J., Ks, R., & Datta, S. (2022). Validated In Silico Population Model of Escherichia coli. ACS Synth Biol, 11(8), 2672-2684. https://doi.org/10.1007/s10021-009-9297-6
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