微生物總是生活在不斷變化的環境中，為了生存，細菌建立了適應這些變化的能力。其中，代謝通量的重排和蛋白質組的重分配是細菌應對環境變化的常用策略。當前，科學家們對細胞如何通過交叉調控其代謝通量和蛋白質合成以適應不斷變化的營養條件等科學問題還缺乏充分的理解。
北京時間2月2日，中國科學院深圳先進技術研究院合成生物學研究所研究員傅雄飛團隊在《代謝工程》上發表最新研究成果。研究團隊開發了一種受蛋白質分配約束的動態流平衡分析新方法（dCAFBA）。該方法利用代謝流平衡方法描繪代謝狀態的改變，借助粗粒化模型模擬蛋白質資源分配的變化，將酶對代謝反應速率的約束與中心底物代謝速率對蛋白質分配的調節相結合，建立了一個全面的模型，用于預測細菌對外界環境變化的響應。
該方法的獨特之處在于，即便沒有詳盡的酶參數信息，也能成功預測大腸桿菌在面臨營養條件變化時代謝通量重分布的動態變化過程，具有廣泛的應用潛力。
科研人員將dCAFBA模型預測的代謝通量動力學數據與已公開的蛋白質組數據進行比對，從而揭示了細菌是如何調整新陳代謝和蛋白質合成以適應不同營養條件變化的。
研究發現，在營養豐富時期，計算得到的代謝通量變化與實驗觀測到的蛋白質水平動態變化相吻合；而在營養匱乏階段，則揭示了一種由碳攝取蛋白向代謝酶轉化的代謝瓶頸切換現象。這種切換破壞了代謝通量與蛋白表達水平間的協調關系，導致了先前研究未曾關注的增長過沖效應。
此外，研究團隊將dCAFBA方法進行了擴展，研究了有價值化合物的異源合成對細胞生長動力學的影響。他們以番茄紅素為例，模擬預測了在大腸桿菌中外源誘導表達番茄紅素合成基因后細胞生長動力學的變化。該成果為設計實時調節關鍵酶表達的遺傳回路，以及提高代謝產物產量提供了重要的模型工具。
該研究揭示了微生物如何精巧地調控其內部代謝網絡和蛋白質合成這一耦合系統，以適應不斷變化的環境條件。該研究不僅有助于深化理解微生物生理機制，也為研究代謝途徑的動態調控提供了理論工具。
相關論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.ymben.2024.01.008
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