大腸菌におけるアルギニン生合成：実験的摂動と数学モデリング

細胞生物学の基本的な課題は、代謝産物と酵素発現のレベルを変える際に適切な細胞転帰を提供するために相互接続された代謝経路がどのように調節されるかを理解することです。大腸菌では、アルギニンとピリミジンの生合成経路は、単一の酵素によって提供される一般的な代謝物を介して接続されています。ピリミジン生合成とのつながりを含む、大腸菌のアルギニン生合成系のさまざまな要素、および遺伝的および酵素レベルで動作する主要な調節メカニズムは、システムのモジュール記述と組み合わせた分子動態アプローチを使用して数学モデルに統合されました。次に、このモデルを使用して、次のように乱れた条件のセットをシミュレートしました：遺伝的抑制抑制、最初の酵素ステップのフィードバック抵抗、および中間リン酸カルバミルの低成分合成。すべての場合において、シミュレーションと実験結果の間の優れた定量的一致が見つかりました。このモデルは、異なる規制間の相乗効果を含む、システムの機能に関するさらなる洞察を得るために使用されました。細胞アルギニン濃度での摂動の組み合わせの結果が正確に予測され、モデルがアルギニンオーバープロデュース株の設計のための強力なツールとして確立されました。

A basic challenge in cell biology is to understand how interconnected metabolic pathways are regulated to provide the adequate cellular outcome when changing levels of metabolites and enzyme expression. In Escherichia coli, the arginine and pyrimidine biosynthetic pathways are connected through a common metabolite provided by a single enzyme. The different elements of the arginine biosynthetic system of Escherichia coli, including the connection with pyrimidine biosynthesis, and the principal regulatory mechanisms operating at genetic and enzymatic levels were integrated in a mathematical model using a molecular kinetic approach combined with a modular description of the system. The model was then used to simulate a set of perturbed conditions as follows: genetic derepression, feedback resistance of the first enzymatic step, and low constitutive synthesis of the intermediate carbamyl phosphate. In all cases, an excellent quantitative agreement between simulations and experimental results was found. The model was used to gain further insight into the function of the system, including the synergy between the different regulations. The outcome of combinations of perturbations on cellular arginine concentration was predicted accurately, establishing the model as a powerful tool for the design of arginine-overproducing strains.