Computer simulation of yeast metabolism by data-driven ensemble modeling

通过数据驱动的集成建模对酵母代谢进行计算机模拟

• 批准号: 22H01879
• 负责人: 松田 史生
• 金额: $ 10.98万
• 依托单位: Osaka University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• 财政年份: 2022
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2022-04-01 至 2026-03-31
• 项目状态: 未结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-22H01879/
• 关键词: 代謝工学; 出芽酵母; エタノール; 代謝シミュレーション; メタボローム; プロテオーム; 代謝フラックス解析

これまでに出芽酵母実験室株と中心代謝酵素1遺伝子破壊株11株(ald6Δ, gnd1Δなど)から多階層データを取得してきた。2022年度は、これを訓練データとして、50反応からなる中心代謝速度論モデルのパラメータの学習を行った。1遺伝子破壊株の酵素タンパク質発現量を実測値に変更して、代謝物濃度と代謝フラックスレベルを予測させ、実測値との残差二乗和を算出した。また、残差二乗和の最小化を評価値として最適に近いモデル計1000個（アンサンブル）からなる出芽酵母代謝シミュレーター Ver 1の構築に成功した。グルコース取り込み速度が出芽酵母実用株間で異なることに注目した。出芽酵母実用株（協会７号など）を、SD培地中で回分培養し、対数増殖期から不足している細胞内代謝産物濃度データを取得した。S. cerevisiaeの2倍体株（実験室株: BY4947、ワイン株: QA23、パン株: RedStar、清酒株: Kyokai7等）を用いた。SD培地中で回分培養し (50 ml, 30℃)、フィルター法で菌体を回収し、メタノール・クロロホルム・水法で細胞内代謝物を抽出した。フル13C標識抽出物は[U-13C]グルコース含有SD培地で培養したBY27002から得た。LC-MS分析はIon pair LC-MS/MS（LC-8050、島津製作所）とPentafluorophenylpropyl (PFPP) LC-MS/MS（LC-8040、島津製作所）で行った。対数増殖期の細胞内代謝物濃度71種類の測定に成功した。さらに、解糖系の反応やヌクレオチドリン酸の生合成反応を計23反応のDGの算出に成功した。今後はこれらのデータを用いた出芽酵母代謝シミュレーターの構築を進める。

迄今为止，已经从崭露头角的酵母实验室菌株和11种基因干扰菌株（ALD6δ，GND1Δ等）中获取了多层数据。在2022年，我们将其用作训练数据来学习由50个反应组成的中央代谢动力学模型的参数。一个基因破坏菌株的酶蛋白表达水平将其更改为测量值，并预测了代谢产物浓度和代谢通量水平，并计算了测量值之间的剩余正方形总和。此外，我们成功地构建了一个模拟器Ver 1，这是一种酵母代谢模拟器，该模拟器由总共1,000个（集合）模型组成，这些模型接近最佳的模型，使用了将剩余的正方形作为评估值的最小化。值得注意的是，葡萄糖的摄取率在萌芽的酵母菌实用菌株之间有所不同。酵母酵母实践菌株（例如7号缔合）在批处理中培养在SD培养基中，并获得了对数生长阶段缺少细胞内代谢产物浓度的数据。使用了酿酒酵母的二倍体菌株（实验室应变：By4947，葡萄酒菌株：QA23，面包菌株：Redstar，清酒菌株：Kyokai7等）。在SD培养基（50 mL，30°C）中进行批处理培养，并通过过滤收集细胞，并通过甲醇，氯仿和水提取细胞内代谢产物。从含有[U-13C]葡萄糖的SD培养基中培养的BY27002获得了完整的13C提取物。使用离子对LC-MS/MS（LC-8050，Shimadzu Corporation）和Pentafluorophynylpropyl（PFPP）LC-MS/MS（LC-8040，Shimadzu Corporation）进行LC-MS分析。在对数生长阶段，我们成功测量了71个细胞内代谢产物浓度。此外，我们成功地计算了23种反应的DGS，包括核苷酸磷酸盐的糖酵解反应和生物合成反应。将来，我们将继续使用这些数据建立上酵母代谢的模拟器。