Анализ метаболических потоков
Анализ метаболических потоков (MFA) — это экспериментальный метод флюксомики, используемый для изучения скорости производства и потребления метаболитов в биологической системе. На внутриклеточном уровне он позволяет количественно оценить метаболические потоки , тем самым выясняя центральный метаболизм клетки. [1] Различные методы MFA, в том числе анализ изотопно-стационарного метаболического потока, изотопно-нестационарный анализ метаболического потока и анализ метаболического потока на основе термодинамики, могут сочетаться со стехиометрическими моделями метаболизма и методами масс-спектрометрии с изотопным массовым разрешением для выяснения переноса фрагментов. содержащие изотопные индикаторы перехода одного метаболита в другой и получения информации о метаболической сети. Анализ метаболических потоков (MFA) имеет множество применений, таких как определение пределов способности биологической системы производить биохимические вещества, такие как этанол , [2] предсказание ответа на нокаут гена , [3] [4] и руководство выявлением узких ферментов в метаболических сетях для усилий по метаболической инженерии . [5]
Для анализа метаболических потоков можно использовать 13 C -меченные изотопные индикаторы для экспериментов по мечению изотопов . ядерного магнитного резонанса ( ЯМР Затем методы ) и масс-спектрометрию можно использовать для измерения закономерностей мечения метаболитов, чтобы получить информацию для определения потоков путей. [6] [1] [7] Поскольку MFA обычно требует строгого расчета потоков сложных метаболических сетей, были разработаны общедоступные программные инструменты для автоматизации MFA и снижения вычислительной нагрузки.
Экспериментальный метод
[ редактировать ]Хотя использование стехиометрического баланса и ограничений метаболитов, составляющих метаболическую сеть, может объяснить потоки, этот подход имеет ограничения, включая трудности в стимулировании потоков через параллельные, циклические и обратимые пути. [8] Более того, имеется ограниченное понимание того, как метаболиты взаимопревращаются в метаболической сети без использования изотопных индикаторов. [8] Таким образом, использование изотопов стало доминирующим методом МФА. [9]
Эксперименты по маркировке изотопов
[ редактировать ]Эксперименты по мечению изотопов оптимальны для сбора экспериментальных данных, необходимых для MFA. Поскольку потоки определяют закономерности изотопной маркировки внутриклеточных метаболитов, измерение этих закономерностей позволяет сделать выводы о потоках. [10] Первым шагом в рабочем процессе экспериментов по мечению изотопов является культивирование клеток на меченых субстратах. Субстрат, такой как глюкоза, метится изотопом(ами), чаще всего 13 C, и вводят в культуральную среду. Среда также обычно содержит витамины и незаменимые аминокислоты, способствующие росту клеток. [11] Меченый субстрат затем метаболизируется клетками, что приводит к включению 13 Трекер C в других внутриклеточных метаболитах. После того как клетки достигают устойчивого физиологического состояния (т.е. постоянной концентрации метаболитов в культуре), клетки затем лизируют для извлечения метаболитов. Для клеток млекопитающих экстракция включает закалку клеток метанолом для остановки их клеточного метаболизма и последующую экстракцию метаболитов с использованием метанола и водной экстракции. [12] Концентрации метаболитов и меченых изотопов в метаболитах экстрактов измеряются с помощью таких инструментов, как жидкостная хроматография-масс-спектрометрия или ЯМР, которые также предоставляют информацию о положении и количестве меченых атомов в метаболитах. [11] Эти данные необходимы для понимания динамики внутриклеточного метаболизма и скорости оборота метаболитов и вывода о метаболическом потоке.
Методологии
[ редактировать ]Изотопически стационарный
[ редактировать ]Преобладающим методом анализа метаболических потоков является изотопно-стационарный MFA. Этот метод количественного определения потоков применим в условиях метаболического и изотопного стационарного состояния. [13] два условия, которые предполагают, что концентрации метаболитов и распределение изотопомеров не меняются с течением времени соответственно. Знание стехиометрической матрицы (S), включающей потребление и производство метаболитов в рамках биохимических реакций, необходимо для балансировки потоков (v) вокруг предполагаемой модели метаболической сети. [13] Предполагая, что метаболический процесс устойчив, метаболические потоки можно оценить количественно, решив обратное к следующему простому уравнению линейной алгебры :
Чтобы уменьшить возможное пространство решения для распределения потоков, изотопически стационарный MFA требует дополнительных стехиометрических ограничений, таких как скорость роста, секреция и поглощение субстрата, а также скорость накопления продукта, а также верхние и нижние границы потоков. [14] Хотя изотопически стационарный MFA позволяет точно определить метаболические потоки посредством математического моделирования, анализ ограничивается периодическими культурами во время экспоненциальной фазы. [15] Более того, после добавления меченого субстрата может быть трудно определить момент времени, когда можно точно предположить метаболическое и изотопное устойчивое состояние. [13]
Изотопически нестационарный
[ редактировать ]Когда мечение изотопов является временным и еще не уравновешено, изотопно-нестационарный MFA (INST-MFA) предпочтителен для определения потоков, особенно для систем с медленной динамикой мечения. Подобно изотопически стационарному MFA, этот метод требует баланса масс и изотопомеров для характеристики стехиометрии и атомных переходов метаболической сети. Однако, в отличие от традиционных методов MFA, INST-MFA требует применения обыкновенных дифференциальных уравнений для изучения того, как схемы изотопной маркировки метаболитов изменяются с течением времени; такое исследование может быть выполнено путем измерения изменения шаблонов мечения изотопов в разные моменты времени для ввода в INST-MFA. [16] образом, INST-MFA является мощным методом выявления потоков систем с узкими местами путей и выявления метаболических фенотипов автотрофных Таким организмов. [16] Хотя требования INST-MFA к интенсивным вычислениям ранее препятствовали его широкому использованию, недавно разработанные программные инструменты оптимизировали INST-MFA, чтобы сократить время вычислений и требования. [17]
На основе термодинамики
[ редактировать ]Анализ метаболических потоков на основе термодинамики (TMFA) [18] представляет собой специализированный тип анализа метаболических потоков, который использует линейные термодинамические ограничения в дополнение к ограничениям баланса массы для создания термодинамически возможных потоков и профилей активности метаболитов. TMFA учитывает только пути и потоки, которые возможны с использованием изменения свободной энергии Гиббса реакций и активности метаболитов, которые являются частью модели. Рассчитывая свободную энергию Гиббса метаболических реакций и, следовательно, их термодинамическую благоприятность, TMFA облегчает идентификацию ограничивающих реакций, узких мест пути, которые могут быть идеальными кандидатами для регуляции пути.
Программное обеспечение
[ редактировать ]моделирования Алгоритмы необходимы для моделирования биологической системы и расчета потоков всех путей в сложной сети. Существует несколько вычислительных программ, отвечающих потребностям в эффективных и точных инструментах количественного анализа потоков. Как правило, этапы применения программного обеспечения для моделирования к MFA включают метаболическую реконструкцию для компиляции всех желаемых ферментативных реакций и метаболитов, предоставление экспериментальной информации, такой как схема маркировки субстрата, определение ограничений, таких как уравнения роста, и минимизацию ошибки между экспериментальными и смоделированными данными. результаты для получения окончательных потоков. [19] Примеры программного обеспечения MFA включают 13CFLUX2. [20] и OpenFLUX, [21] которые оценивают 13 Эксперименты по маркировке C для расчета потока в метаболических и изотопно-стационарных условиях. Растущий интерес к разработке вычислительных инструментов для расчета INST-MFA также привел к разработке таких программных приложений, как INCA, которое было первым программным обеспечением, способным выполнять INST-MFA и моделировать эксперименты по мечению переходных изотопов. [22]
Приложения
[ редактировать ]Производство биотоплива
[ редактировать ]Анализ метаболических потоков использовался для руководства усилиями по расширению ферментации биотоплива. [23] Путем прямого измерения скорости ферментативных реакций MFA может фиксировать динамику поведения клеток и метаболические фенотипы в биореакторах во время крупномасштабной ферментации. [23] Например, модели MFA использовались для оптимизации превращения ксилозы , ферментирующих ксилозу, в этанол в дрожжах путем использования расчетных распределений потоков для определения максимальных теоретических способностей выбранных дрожжей по производству этанола. [24]
Метаболическая инженерия
[ редактировать ]Идентификация узких ферментов определяет скорость лимитирующих реакций, которые ограничивают продуктивность пути биосинтеза. Более того, MFA может помочь предсказать неожиданные фенотипы генно-инженерных штаммов, создавая фундаментальное понимание того, как потоки запрограммированы в сконструированных клетках. [25] Например, путем расчета свободных энергий Гиббса реакций метаболизма Escherichia coli TMFA облегчил идентификацию термодинамической реакции «узкого места» в модели масштаба генома Escherichia coli. [18]
См. также
[ редактировать ]- Изотопная маркировка
- Анализ баланса потоков
- Флюксомика
- Моделирование метаболической сети
- Метаболомика
- Метаболическая инженерия
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б Вихерт В. (июль 2001 г.). «Анализ метаболического потока 13C». Метаболическая инженерия . 3 (3): 195–206. дои : 10.1006/mben.2001.0187 . ПМИД 11461141 .
- ^ Папуцакис ET, Мейер CL (январь 1985 г.). «Уравнения и расчеты выхода продуктов и предпочтительные пути бутандиолового и смешанокислотного брожения». Биотехнология и биоинженерия . 27 (1): 50–66. дои : 10.1002/бит.260270108 . ПМИД 18553576 . S2CID 41031084 .
- ^ Бургард А.П., компакт-диск Маранас (сентябрь 2001 г.). «Изучение пределов производительности метаболической сети Escherichia coli с учетом добавления или удаления генов» . Биотехнология и биоинженерия . 74 (5): 364–375. дои : 10.1002/бит.1127 . ПМИД 11427938 .
- ^ Генри CS, Бродбелт LJ, Хациманикатис V (март 2007 г.). «Анализ метаболических потоков на основе термодинамики» . Биофизический журнал . 92 (5): 1792–1805. Бибкод : 2007BpJ....92.1792H . дои : 10.1529/biophysj.106.093138 . ПМЦ 1796839 . ПМИД 17172310 .
- ^ Антоневич М.Р. (январь 2021 г.). «Руководство по анализу метаболических потоков в метаболической инженерии: методы, инструменты и приложения». Метаболическая инженерия . Инструменты и стратегии метаболической инженерии. 63 : 2–12. дои : 10.1016/j.ymben.2020.11.002 . ISSN 1096-7176 . ПМИД 33157225 . S2CID 226276199 .
- ^ Замбони Н., Фендт С.М., Рюль М., Зауэр У. (21 июня 2009 г.). «(13)Анализ метаболических потоков на основе углерода». Протоколы природы . 4 (6): 878–892. дои : 10.1038/nprot.2009.58 . ПМИД 19478804 . S2CID 6731942 .
- ^ Замбони Н. (февраль 2011 г.). «Анализ метаболического потока 13C в сложных системах». Современное мнение в области биотехнологии . 22 (1): 103–108. дои : 10.1016/j.copbio.2010.08.009 . ПМИД 20833526 .
- ^ Jump up to: а б Ван, Ю; Вондисфорд, Федеративная Республика Фернада; Песня, С; Чжан, Т; Вс, X (06.11.2020). «Анализ метаболических потоков: связь между маркировкой изотопов и метаболическими потоками» . Метаболиты . 10 (11): 447. doi : 10.3390/metabo10110447 . ISSN 2218-1989 . ПМЦ 7694648 . ПМИД 33172051 .
- ^ Корона, СБ; Антоневич, MR (март 2013 г.). «Эксперименты по параллельному мечению и анализ метаболических потоков: прошлые, настоящие и будущие методологии» . Метаболическая инженерия . 16 : 21–32. дои : 10.1016/j.ymben.2012.11.010 . ПМК 6474253 . ПМИД 23246523 .
- ^ Heuillet M, Bellvert F, Cahoreau E, Letisse F, Millard P, Portais JC (февраль 2018 г.). «Методология проверки изотопного анализа с помощью масс-спектрометрии в экспериментах по мечению стабильных изотопов». Аналитическая химия . 90 (3): 1852–1860. дои : 10.1021/acs.analchem.7b03886 . ПМИД 29260858 .
- ^ Jump up to: а б Фэн X, Чжуан WQ, Коллетти П., Тан YJ (2012). «Определение метаболических путей и анализ потоков в немодельных микроорганизмах посредством мечения изотопом 13C». В Навиде А (ред.). Микробная системная биология . Методы молекулярной биологии. Том. 881. Тотова, Нью-Джерси: Humana Press. стр. 309–330. дои : 10.1007/978-1-61779-827-6_11 . ISBN 978-1-61779-827-6 . ПМИД 22639218 .
- ^ Селлик Калифорния, Хансен Р., Стивенс ГМ, Гудакр Р., Диксон А.Дж. (июль 2011 г.). «Извлечение метаболитов из клеток млекопитающих, культивируемых в суспензии, для глобального определения профиля метаболитов». Протоколы природы . 6 (8): 1241–1249. дои : 10.1038/nprot.2011.366 . ПМИД 21799492 . S2CID 10329440 .
- ^ Jump up to: а б с Dai Z, Locasale JW (сентябрь 2017 г.). «Понимание метаболизма с помощью анализа потоков: от теории к применению» . Метаболическая инженерия . 43 (Часть Б): 94–102. дои : 10.1016/j.ymben.2016.09.005 . ПМК 5362364 . ПМИД 27667771 .
- ^ Антоневич М.Р. (март 2015 г.). «Методы и достижения в анализе метаболических потоков: мини-обзор». Журнал промышленной микробиологии и биотехнологии . 42 (3): 317–325. дои : 10.1007/s10295-015-1585-x . ПМИД 25613286 . S2CID 2233610 .
- ^ Холлинсхед В., Хе Л., Тан Ю.Дж. (2019). «13C-отпечатки пальцев и анализ метаболических потоков бактериального метаболизма» . В Сантосе, CN, Аджикумар П.К. (ред.). Микробная метаболическая инженерия . Методы молекулярной биологии. Том. 1927. Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: Springer New York. стр. 215–230. дои : 10.1007/978-1-4939-9142-6_15 . ISBN 978-1-4939-9141-9 . ОСТИ 1529155 . PMID 30788795 . S2CID 73491481 .
- ^ Jump up to: а б Чеа Й., Янг Джей Ди (декабрь 2018 г.). «Анализ изотопно-нестационарного метаболического потока (INST-MFA): применение теории на практике». Современное мнение в области биотехнологии . Аналитическая биотехнология. 54 : 80–87. дои : 10.1016/j.copbio.2018.02.013 . ОСТИ 1611014 . ПМИД 29522915 . S2CID 3793073 .
- ^ Джазмин Л.Дж., О'Грэйди Дж.П., Ма Ф., Аллен Д.К., Морган Дж.А., Янг Дж.Д. (2014). «Изотопически нестационарный МФА (ИНСТ-МФА) автотрофного метаболизма». В Дьеаиде-Нубхани М., Алонсо А.П. (ред.). Анализ метаболических потоков растений . Методы молекулярной биологии. Том. 1090. Тотова, Нью-Джерси: Humana Press. стр. 181–210. дои : 10.1007/978-1-62703-688-7_12 . ISBN 978-1-62703-688-7 . ПМИД 24222417 .
- ^ Jump up to: а б Генри CS, Бродбелт LJ, Хациманикатис V (март 2007 г.). «Анализ метаболических потоков на основе термодинамики» . Биофизический журнал . 92 (5): 1792–1805. Бибкод : 2007BpJ....92.1792H . дои : 10.1529/biophysj.106.093138 . ПМЦ 1796839 . ПМИД 17172310 .
- ^ Дандекар Т., Физельманн А., Маджид С., Ахмед З. (январь 2014 г.). «Программное обеспечение для количественного анализа и моделирования метаболических потоков» . Брифинги по биоинформатике . 15 (1): 91–107. дои : 10.1093/нагрудник/bbs065 . ПМИД 23142828 .
- ^ Вайцель М., Нох К., Далман Т., Ниденюр С., Штуте Б., Вихерт В. (январь 2013 г.). «13CFLUX2 — высокопроизводительный пакет программного обеспечения для анализа (13)C-метаболических потоков» . Биоинформатика . 29 (1): 143–145. doi : 10.1093/биоинформатика/bts646 . ПМК 3530911 . ПМИД 23110970 .
- ^ Квек Л.Е., Виттманн С., Нильсен Л.К., Кремер Д.О. (май 2009 г.). «OpenFLUX: эффективное программное обеспечение для моделирования для анализа метаболических потоков на основе 13C» . Заводы по производству микробных клеток . 8 (1): 25. дои : 10.1186/1475-2859-8-25 . ПМК 2689189 . ПМИД 19409084 .
- ^ Молодой Джей Ди (май 2014 г.). «INCA: вычислительная платформа для изотопно-нестационарного анализа метаболических потоков» . Биоинформатика . 30 (9): 1333–1335. doi : 10.1093/биоинформатика/btu015 . ПМЦ 3998137 . ПМИД 24413674 .
- ^ Jump up to: а б Холлинсхед В., Хе Л., Тан Ю.Дж. (2014). «Производство биотоплива: одиссея от метаболической инженерии к расширению масштабов ферментации» . Границы микробиологии . 5 : 344. дои : 10.3389/fmicb.2014.00344 . ПМК 4088188 . ПМИД 25071754 .
- ^ Бидо К., Монтер Дж., Камелейр Х., Молина-Жув К., Альфенор С. (февраль 2016 г.). «Модель анализа метаболического потока для оптимизации превращения ксилозы в этанол природными C5-ферментирующими дрожжами Candida shehatae». Прикладная микробиология и биотехнология . 100 (3): 1489–1499. дои : 10.1007/s00253-015-7085-0 . ПМИД 26536879 . S2CID 18196579 .
- ^ Антоневич М.Р. (январь 2021 г.). «Руководство по анализу метаболических потоков в метаболической инженерии: методы, инструменты и приложения». Метаболическая инженерия . Инструменты и стратегии метаболической инженерии. 63 : 2–12. дои : 10.1016/j.ymben.2020.11.002 . ISSN 1096-7176 . ПМИД 33157225 . S2CID 226276199 .