多目的メタノトロフMethylocella silvestrisのゲノムスケールの代謝モデル

Genome Scale Metabolic Model of the versatile methanotroph Methylocella silvestris.

• Sergio Bordel
• Andrew T Crombie
• Raúl Muñoz
• J Colin Murrell

抄録

背景:

Methylocella silvestrisは、メタンだけでなく、エタンやプロパンなどのアルカンも炭素やエネルギー源として利用する好気性のメタン栄養細菌で、その高い代謝汎用性と遺伝子工学的なツールの利用可能性から、天然ガスを基質とする代謝工学や産業用バイオテクノロジーのプラットフォームとして有望視されています。その高い代謝能力と遺伝子工学的手法の利用可能性から、天然ガスを基質とする代謝工学や産業用バイオテクノロジーのプラットフォームとして有望視されています。

BACKGROUND: Methylocella silvestris is a facultative aerobic methanotrophic bacterium which uses not only methane, but also other alkanes such as ethane and propane, as carbon and energy sources. Its high metabolic versatility, together with the availability of tools for its genetic engineering, make it a very promising platform for metabolic engineering and industrial biotechnology using natural gas as substrate.

結果:

本研究では、M. silvestrisの最初のゲノムスケール代謝モデルを紹介する。このモデルは、12種類の基質で生育するM. silvestrisの能力、2つの欠失変異体（ΔICLとΔMS）の生育表現型、メタンとエタノールでのバイオマス収量を予測するために使用されています。このモデルは、欠失変異体の表現型の特徴付けと合わせて、M. silvestrisがC1とC2基質の同化にグリオキシレートシャトルを使用していることを明らかにした。プロパン代謝のための2つの代替経路が同定され、酵素活性試験と欠失変異体（Δ1641）の構築を用いて実験的に検証され、2-プロパノールを介したプロパン同化の中間体の1つとしてアセトールを同定することが可能になった。このモデルは、プロテオームデータの統合と、異なる基質へのM. silvestrisの適応に関与する主要な酵素の同定にも使用された。

RESULTS: The first Genome Scale Metabolic Model for M. silvestris is presented. The model has been used to predict the ability of M. silvestris to grow on 12 different substrates, the growth phenotype of two deletion mutants (ΔICL and ΔMS), and biomass yield on methane and ethanol. The model, together with phenotypic characterization of the deletion mutants, revealed that M. silvestris uses the glyoxylate shuttle for the assimilation of C1 and C2 substrates, which is unique in contrast to published reports of other methanotrophs. Two alternative pathways for propane metabolism have been identified and validated experimentally using enzyme activity tests and constructing a deletion mutant (Δ1641), which enabled the identification of acetol as one of the intermediates of propane assimilation via 2-propanol. The model was also used to integrate proteomic data and to identify key enzymes responsible for the adaptation of M. silvestris to different substrates.

結論:

このモデルは、グリオキシル酸シャトルを用いた炭素化合物の同化、プロパン同化のための2つの並行した代謝経路の存在など、M. silvestrisの主要な代謝機能を解明するために使用されてきました。このモデルは、その遺伝子工学のためのツールが既に存在するという事実と相まって、メタノトロフの代謝工学と産業利用のためのプラットフォームとしてのM. silvestrisの使用への道を開くものである。

CONCLUSIONS: The model has been used to elucidate key metabolic features of M. silvestris, such as its use of the glyoxylate shuttle for the assimilation of one and two carbon compounds and the existence of two parallel metabolic pathways for propane assimilation. This model, together with the fact that tools for its genetic engineering already exist, paves the way for the use of M. silvestris as a platform for metabolic engineering and industrial exploitation of methanotrophs.