Thermodynamic modelling of synthetic communities predicts minimum free energy requirements for sulfate reduction and methanogenesis
Thermodynamic modelling of synthetic communities predicts minimum free energy requirements for sulfate reduction and methanogenesis
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合成群落的热力学模型预测了硫酸盐还原和产甲烷的最低自由能需求
DOI：
10.1101/857276
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发表时间：
2019
期刊：
影响因子：
--
通讯作者：
Delattre H
中科院分区：
文献类型：
--
作者：
Delattre H
微生物群落是一个复杂的动力系统，包含许多物种相互作用以实现更高层次的功能。在这些高级功能中，微生物群落将有机物转化为更简单的结构单元是生物地球化学循环和动植物营养的基础，并在生物技术中得到利用。预测社区介导的代谢转化的动力学和稳定性的先决条件是开发和校准适当的数学模型。在这里，我们提出了一个通用的，可扩展的热力学模型的社区动态和校准这个热力学模型的一个关键参数，与支持生长的代谢途径相关的最低能量需求，使用实验种群动态数据合成社区组成的硫酸盐还原剂和两个产甲烷菌。我们的研究结果表明，考虑热力学是必要的，在捕捉这些合成社区的实验种群动态，功能相关的物种使用低能量的增长途径。此外，他们提供了产甲烷的最低能量需求的第一个估计值（在-30 kJ mol−1的范围内），并详细说明了以前对硫酸盐还原剂的乳酸发酵的估计值（在-30至-17 kJ mol− 1的范围内，取决于培养条件）。所开发的模型的开源性质及其用于估计关键热力学参数的演示应有助于进一步对微生物群落进行热力学建模。
Microbial communities are complex dynamical systems harbouring many species interacting together to implement higher-level functions. Among these higher-level functions, conversion of organic matter into simpler building blocks by microbial communities underpins biogeochemical cycles and animal and plant nutrition, and is exploited in biotechnology. A prerequisite to predicting the dynamics and stability of community-mediated metabolic conversions is the development and calibration of appropriate mathematical models. Here, we present a generic, extendable thermodynamic model for community dynamics and calibrate a key parameter of this thermodynamic model, the minimum energy requirement associated with growth-supporting metabolic pathways, using experimental population dynamics data from synthetic communities composed of a sulfate reducer and two methanogens. Our findings show that accounting for thermodynamics is necessary in capturing the experimental population dynamics of these synthetic communities that feature relevant species using low energy growth pathways. Furthermore, they provide the first estimates for minimum energy requirements of methanogenesis (in the range of −30 kJ mol−1) and elaborate on previous estimates of lactate fermentation by sulfate reducers (in the range of −30 to −17 kJ mol−1depending on the culture conditions). The open-source nature of the developed model and demonstration of its use for estimating a key thermodynamic parameter should facilitate further thermodynamic modelling of microbial communities.
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