Потоковая модель метаболизма, связанного с производством водорода бактериями рода Rhodobacter

• Автор: Голомысова, Анастасия Никитична
• Шифр специальности: 03.01.02
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2010
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 135 с. : ил.

Оглавление

Введение
Глава 1. Современные представления о производстве биоводорода бактериальными клетками

1.1 Производство водорода биологическим путем

1.2 Производство водорода бактериями К. зркаегсМеъ и Я. саркикйт

Глава 2. Существующие модели бактериального метаболизма, основанные на методе баланса стационарных метаболических потоков

2.1 Математическое моделирование метаболизма

2.2 Метод баланса стационарных метаболических потоков

2.3 Примеры потоковых моделей

2.4 Потоковые модели фотосинтезирующих микроорганизмов и бактерий -производителей водорода
Глава 3. Потоковая модель метаболизма бактерий рода ЯИос1оЪас1ег
3.1 Метод баланса стационарных метаболических потоков (БСМП)
3.2 Построение списка биохимических реакций
3.2.1 Гликолиз/глкжонеогенез, пентозофосфатный путь и цикл Кальвина
3.2.2 Метаболизм фосфоенолпирувата и пирувата
3.2.3 Цикл трикарбоновых кислот (цикл Кребса)
3.2.4 Метаболизм ацетата, пропионата и бутирата
3.2.5 Биосинтез аминокислот
3.2.6 Биосинтез нуклеиновых кислот
3.2.7 Биосинтез липидов
3.2.8 Биосинтез пигментов фотосинтетического аппарата
3.2.9 Мембранные комплексы
3.2.10 Уточнение списка биохимических реакций
3.2.11 Отличительные особенности биохимии Я. 8рИаего1с1е$ и Я. capsv.latus.A
3.3 Параметры потоковой модели
3.3.1 Вещества, усваиваемые, выделяемые или запасаемые бактерией
3.3.2 Наработка биомассы клеток
3.3.3 Целевая функция
3.4 Методика обработки литературных данных о росте бактериальной культуры
3.4.1 Скорость роста бактериальной культуры
3.4.2 Усвоение субстрата и выделение побочных продуктов

Глава 4. Тестирование потоковых моделей Я. .чркаегоиШ и Я. сарзиШиз
4.1 Распределение основных потоков вещества в метаболизме
4.1.1 Фотоавтотрофный рост
4.1.2 Фотогетеротрофный рост на классических субстратах (малат, лактат,
сукцинат)
4.1.3 Фотогетеротрофный рост на летучих жирных кислотах (ацетат, бутират,
пропионат)
4.1.4 Качественные различия метаболизма Я. зркаего1йез и 7?. сарзиШиз
4.2 Рост культуры Я. сарзиШиз на лактате и глутамате и производство водорода в
этих условиях
4.3 Рост культуры Я. зркаегтЯез на манате и аммонии и производство водорода в
этих условиях
4.4 Заключение
Глава 5. Предсказание особенностей метаболизма и мутантов Я. sphaeroides и Я. сарзиШш при помощи потоковой модели
5.1 Поведение бактерий при недостатке аммония в среде
5.2 Производство водорода и запасание биополимеров в стационарной фазе
5.2.1 Водород
5.2.2 Бутират, полигидроксибутират
5.2.3 Полисахариды
5.3 Путь усвоения ацетил-СоА у Я. сарзиШиз
5.4 Предсказание генных модификаций, приводящих к увеличению наработки
водорода в фазе роста
5.4.1 Я. сарзиШиз, классические субстраты
5.4.2 Я. зрИаего'к1ез, классические субстраты
5.4.3 Я сарзиШиз, летучие жирные кислоты
5.4.4 Я. зрИаего^Шз, летучие жирные кислоты
5.5 Заключение
Глава 6. Обсуждение результатов
Выводы
Литература
Благодарности
Приложение 1. Список сокращений
Приложение 2. Список биохимических реакций, использованный при построении
потоковой модели
Приложение 3. Схема метаболизма, лежащая в основе потоковой модели

Введение
Актуальность
В настоящее время, в связи с экономическими и экологическими проблемами, возникающими при использовании традиционных видов топлива, возрастает научная и инновационная актуальность разработок по альтернативным источникам энергии. Водород является перспективным экологически чистым топливом. Хотя в современной промышленности водород получают из ископаемых видов топлива, однако в лабораторных условиях разрабатываются пути его синтеза, безопасные для окружающей среды.
Одним из наиболее перспективных путей синтеза водорода является его получение за счет солнечной энергии с помощью фотосинтезирующих микроорганизмов. В частности, пурпурные несерные бактерии способны образовывать водород как побочный продукт роста культуры на органических отходах. Когда этот процесс будет доведен до индустриальных масштабов, это позволит не только производить экологически чистое топливо, но и очищать окружающую среду. Однако такие существенные преимущества будут достигнуты, только если будет сконструирована рентабельная система производства водорода. Такая система должна быть основана на бактериальных штаммах, производящих водород с наибольшим выходом в удобных для промышленности условиях. Наиболее перспективными кандидатами для крупномасштабного производства биоводорода считаются бактерии из группы пурпурных несерных бактерий, так как они показывают наибольшую эффективность преобразования энергии и могут использовать большое разнообразие субстратов. Из этой группы бактерии рода Rhodobacter являются наиболее распространенными участниками экспериментов по производству водорода.
До недавнего времени выбор подходящего штамма и условий для его оптимального роста и производства водорода требовал постановки большого количества экспериментов. В то же время современные методы системной биологии дают возможность построить эффективно производящую биоводород систему теоретически, что заметно уменьшает объем экспериментальной работы. Один из таких методов, называемый метод баланса стационарных метаболических потоков (Flux Balance Analysis), позволяет построить математическую модель метаболизма бактерии в стационарном приближении на основе данных о наборе генов бактерии. Такая модель называется потоковой или стехиометрической моделью метаболизма. Потоковая модель может быть использована для компьютерной симуляции экспериментов и подбора оптимальных условий для наработки биотоплива. Кроме того, она может быть использована для поиска генных модификаций, приводящих к увеличению наработки водорода или другого химического вещества.

Причем, г17 есть только у R. sphaeroid.es, а для г 18 неизвестен ген, кодирующий фермент ес:2.7.1.28, поэтому она может и не идти в бактерии. F1P (1-фосфофруктоза) участвует еще в метаболизме фруктозы, не включенном в модель. R57 также есть только у R. sphaeroides.
Большинство метаболитов пентозофосфатного пути больше ни в каких реакциях не участвует. Исключение составляют Е4Р (4-фосфоэритроза), которая идет на синтез ароматических аминокислот, и S7P (7-фосфоседогептулоза), которая может участвовать в метаболизме липополисахаридов, не включенном в модель. Также, R5P (5-фосфорибоза) может синтезироваться из рибозы, которой нет в среде, и участвует в метаболизме нуклеиновых кислот. Ru5P (5-фосфорибулоза) участвует в цикле Кальвина, который есть у обеих бактерий:
ATP + Ribulose 5-phosphate —► ADP + Ribulose 1,5-bisphosphate ec:2.7.1.19 (r36)
Ribulose 1,5-bisphosphate + C02 + H20 —> 2 3-Phospho-glycerate ec:4.1.1.39 (r37)
G3P (3-фосфоглицеральдегид) еще участвует в метаболизме триптофана, нуклеиновых кислот и метаболизме фотосинтетических пигментов.
Из метаболитов гликолиза, у R. sphaeroides 3PG (3-фосфоглицерат) может преобразовываться в серии (см. синтез аминокислот). РЕР (фосфоенолпируват) и Руг
(пируват) участвуют еще в нескольких реакциях преобразования в метаболиты цикла
Кребса, которые будут описаны в следующем разделе.
3.2.2. Метаболизм ФосАоенолпирувата и пирувата
РЕР и Руг являются центральными веществами метаболизма, участвуя во многих реакциях. Они могут синтезироваться по пути гликолиза (если бактерия растет на сахарах или на углекислом газе) или из метаболитов цикла Кребса. Кроме того, в модель заложена возможность синтеза пирувата из лактата:
Lactate + NAD+ <-> Pyruvate + NADH + Н+ ee l 11 27 гср (r42)
ec1 12
Lactate + 2 Ferricytochrome с —> Pyruvate + 2 Ferrocytochrome с + 2 H+ ec'1 Y2V (r43)
Лактат используется как один из возможных субстратов для фотогетеротрофного роста, для симуляции этого в модель добавлен поток ввода лактата.
РЕР участвует в синтезе ароматических аминокислот, а Руг - в синтезе аланина, серина и аминокислот группы лейцина. РЕР также участвует в не включенных в модель реакциях синтеза пептидогликанов и липополисахаридов. У R. capsulatus Руг участвует в реакциях, относящихся к метаболизму D-ачинокислот и бета-аланина, которые не включены в модель. Также он является прекурсором для синтеза бактериохлорофилла.