مدل سازی شبکه ی متابولیکی میکروارگانیسم سودوموناس ائروجینوزا

نوع مقاله: علمی-پژوهشی

نویسندگان

مشهد، دانشگاه فردوسی مشهد، دانشکده مهندسی، گروه مهندسی شیمی، صندوق پستی 9177948974

چکیده

در این مقاله یک شبکه‌ی متابولیکی، در بردارنده ‌ی مسیرهای متابولیکی مرکزی سودوموناس ائروجینوزا در شرایط بی ‌هوازی ارایه شده است. به منظور تأیید دقت مدل، پیش بینی ‌های مدل با نتیجه ‌های تجربی به دست آمده از کار دیگر پژوهشگران مقایسه شده است. برای دست یابی به این مهم، از برنامه ریزی خطی برای بهینه سازی معادله ‌های حاکم بر سامانه استفاده شد. تابع هدف برای بررسی درستی مدل، نرخ ویژه رشد این میکروارگانیسم بوده است. طبق پیش بینی های مدل با این تابع هدف، مسیرهای انتنردودورف و پنتوز فسفات برای فروساخت گلوکز فعال بودند. هم چنین چرخه ی تری کربوکسیلیک اسید به طورکامل انجام نمی‌ شد. در صورتی که مقدارهای بهینه تولیدی کوفاکتورهای ATPو NADPH به عنوان تابع هدف در نظر گرفته شوند مسیر پنتوز فسفات و در صورتی که تولید بیشینه ‌ی NADH مورد نظر باشد مسیر انتنردودورف مسیرفعال می ‌باشد. پیش بینی‌ های مدل در مقایسه با اندازه ‌گیری ‌های آزمایشی دارای خطای نسبی کمتر از 10 درصد بوده است. این میزان خطای کم، نشان دهنده ی قابل اعتماد بودن مدل بوده و امکان کاربرد آن را در پژوهش‌های آتی فراهم می‌ کند.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


1] Topley W.W.C., Wilson S.G.S., "Microbiology and Microbial Infections", 9th ed., 2, Hodder Arnold, UK (1998).

[2] Boroumand, M.A., Esfahanifard P., Saadat S., Sheikhvatan M., Hekmatyazdi, Saremi M., A Report of Pseudomonas Aeruginosa Antibiotic Resistance from a Multicenter Study in Iran. Indian Journal of Medical Microbiology, 25(4), p. 435 (2007).

[3] Ochsner, U.A., Snyder A., Vasil A.I., Vasil M.L., Effects of the Twin-Arginine Translocase on Secretion of Virulence Factors, Stress Response, and Pathogenesis. National Academy of Sciences, 99, p. 8312 (2002).

[4] Gyamerah, M., Merichetti G., Adedayo O., Scharer J.M., M M.Y., Bioprocessing Strategies for Improving Hen Egg-White Lysozyme (HEWL) Production by Recombinant Aspergillus Jiger HEWL WT-13-16. Applied Microbial Biotechnology, 60, p. 403 (2002).

[5] Gheshlaghi R., Scharer J.M., Moo-Young M., Douglas P.L., Medium Optimization for Hen Egg White Lysozyme Production by Recombinant Aspergillus Niger Using Statistical Methods. Biotechnology Bioengineering, 90, p. 754 (2005).

[6] Alvarez-Vasquez F., C. Gonzalez-Alcon, Orres N.V., Metabolism of Citric Acid Production by Aspergillus Niger: Model Definition, Steady-State Analysis and Constrained Citric Acid Production Rate Optimization, Biotechnol Bioengineering, 70, p. 82 (2000).

[7] Nissen, T.L., Schulze U., Nielsen J., Villadsen J., Flux Distributions in Anaerobic, Glucose-Limited Continuous Cultures of Saccharomyces Cerevisiae, Journal of Microbiology, 143, p. 203 (1997).

[8] Gheshlaghi R., Scharer J.M., Moo-Young M., Douglas P.L., Metabolic Flux Analysis for Optimizing the Specific Growth Rate of Recombinant Aspergillus niger, Bioprocess Biosyst Engneering, 30, p. 398 (2007).

[9] Oberhardt, M.A., Puchałka J., Fryer K.E., Genome-Scale Metabolic Network Analysis of the Opportunistic Pathogen Pseudomonas Aeruginosa PAO1, Journal of Bacteriology, 190(8), p. 2790 (2008).

[10] Oberhardt M.A., Goldberg J.M., Hogardt M., Papin J.A., Metabolic Network Analysis of Pseudomonas aeruginosa During Chronic Cystic Fibrosis Lung Infection. Journal of Bacteriology, 192(20), p. 5534 (2010).

[11] Puchalka J., Oberhardt M.A., Godinho M., Bielecka A., Regenhardt D., Timmis K.N., Papin J.A., Santos V.A.P.M.D., Genome-Scale Reconstruction and Analysis of the Pseudomonas Putida KT2440 Metabolic Network Facilitates Applications in Biotechnology, PLoS Computational Biology, 4(10), (2008).

[12] Wierckx N., Ruijssenaars H.J., Winde J.H.D., Schmid A., Blank L.M., Metabolic Flux Analysis of a Phenol Producing Mutant of Pseudomonas putida S12: Verification and Complementation of Hypotheses Derived from Transcriptomics, Journal of Bacteriology, 143(2), p. 124 (2009).

[13] Jiang, X., "Process Development for the Production and Separation of Medium-Chain-Length Poly(3-Hydroxyalkanoates) by Pseudomonas Putida KT2440", Queen’s University: Kingston, Ontario, Canada. page. 155 (2010).

[14] Wang Z.-J., Wang P., Liu Y.-W., Zhang Y.-M., Chu J., Huang M.-Z., Metabolic Flux Analysis of the Central Carbon Metabolism of the Industrial Vitamin B12 Producing Strain Pseudomonas Denitrificans Using 13C-Labeled Glucose, Journal of the Taiwan Institute of Chemical Engineers, 43(2), p. 181 (2012).

[18] Hunt, J.C., Phibbs P.V., JR, Regulation of Alternate Peripheral Pathways of Glucose Catabolism During Aerobic and Anaerobic Growth of Pseudomonas aeruginosa, Journal of Bacteriology, 154, p. 793 (1983).

[19] Castillo T.d., Ramos J.L., Rodri Guez-Herva J.J., Fuhrer T., Sauer U., Duque E., Convergent Peripheral Pathways Catalyze Initial Glucose Catabolism in Pseudomonas Putida: Genomic and Flux Analysis, Journal of Bacteriology, 189, p. 5142 (2007).

[20] Cuskey, S.M., Wolff J.A., Phibbs P.V., Cloning of Genes Specifying Carbohydrate Catabolism in Pseudomonas Aeruginosa and Pseudomonas Putida, Journal of Bacteriology, 162(3), p. 865 (1985).

[21] Chia, M., Nguyen T.B.V., Choi W.J., DO-stat Fed-batch Production of 2-keto-D-gluconic Acid from Cassava Using Immobilized Pseudomonas Aeruginosa, Applied Microbial Biotechnology, 78, p. 759 (2008).

[22] Koike, I., Hattori A., Growth Yield of a Denitrifying Bacterium, Pseudomonas Denitrzpcans, under Aerobic and Denitrifying Conditions. Journal of General Microbiology, 88, p. 1 (1975).

[23] Madigan, M.T., Martinko J.M., Parker J., " Brock Biology of Microorganisms", 8th ed., 8, Simon & Schuster Custom (1977).

[24] Daddaoua A., Krell T., Alfonso C., Morel B., Ramos J.-L., Compartmentalized Glucose Metabolism in Pseudomonas Putida Is Controlled by the PtxS Repressor, Journal of Bacteriology, 192, p. 4357 (2010).

[25] Dawes, E.A., Holmas W.H., Metabolism of Sarcina Lutea 1. Carbohydrate Oxidation and Terminal Respiration, Journal of Bacteriology, 75, p. 390 (1957).

[26] Slekar, K.H., Kosman D.J., Culotta T.J.O.B.C.V.C., The Yeast Copper/Zinc Superoxide Dismutase and the Pentose Phosphate Pathway Play Overlapping Roles in Oxidative Stress Protection, The Journal of Biological Chemistry, 271(46), p. 28831 (1996).

[27] Hamel, R.D., Appanna V.D., Modulation of TCA Cycle Enzymes and Aluminum Stress in Pseudomonas fluorescens, Journal of Inorganic Biochemistry, 87, p.1 (2001).

[28] Shuler, M.L., Kargi F., "Bioprocess Engineering, Basic Concepts", 2nd ed., Prantice Hall (2002).

[29] Moat, A.G., Foster J.W., Spector M.P., "Microbial Physiology", 4th ed., John Wiley & Sons, USA (2002).

[30] Morgan, P., Kelly D.J., Dow C.S., The Tricarboxylic Acid Cycle of Heterogeneous and Swarmer Cell  Populations of Rhodomicrobium Vannielii Rm5, Journal of General  Microbiology, 12, p. 931 (1986).

[31] Prohl C., Wackwitz B., Vlad D., Unden G., Functional Citric Acid Cycle in an arcA Mutant of Escherichia coli During Growth with Nitrate under Anoxic Conditions. Arch Microbiol, 170, p. 1 (1998).

[32] Schobert M., Tielen P., Contribution of Oxygen-Limiting Conditions to Persistent Infection of Pseudomonas Aeruginosa. Future Medicine, 5, p. 603 (2010).

[33] Kretzschmar U., Khodaverdi V., Jeoung J.-H., Risch H.G., Function and Transcriptional Regulation of the Isocitrate Lyase in Pseudomonas Aeruginosa. Arch Microbiol, 190, p. 151 (2008).

[34] Ward P.P., Lo J.-Y., Duke M., May G.S., Headon D.R., Conneely O.M., Production of Biologically Active Recombinant Human Lactoferrin in Aspergillus oryzae, Biotechnology, 10, p. 784 (1922).

[35] Kim S., Seol E., Ohb Y.-K., Wangc G.Y., Park S., Hydrogen Production and Metabolic Fux Analysis of Metabolically Engineered Escherichia Coli Strains, International Journal of Hydrogen Energy, 34, p. 7417 (2009).

[36] Lee D.Y., Fanc L.T., Parkb S., Lee S.Y., Shafie S., Bertokd B., Friedler F., D.Vicente A., Complementary Identification of Multiple Fux Distributions and uMltiple Metabolic Pathways, Metabolic Engineering, 7, p. 182 (2005).

[37] Nogales, J., Palsson B.Ø., Thiele I., A Genome-Scale Metabolic Reconstruction of Pseudomonas putida KT2440: iJN746 as a Cell Factory, BMC Systems Biology, 2, p. 79 (2008).

[38] Spangler, W.J. and C.M. Gilmour, Biochemistry of Nitrate Respiration in Pseudomonas Stutzeri I. Aerobic and Nitrate Respiration Routes of Carbohydrate Catabolism, Journal of Bacteriology, 91(1), p. 245 (1966).