An expanded whole-cell model of E. coli links cellular physiology with mechanisms of growth rate control

doi:10.1038/s41540-022-00242-9

.2022年8月19日；8(1):30.

doi:10.1038/s41540-022-00242-9。

扩展的大肠杆菌全细胞模型将细胞生理学与生长速率控制机制联系起来

特拉维斯·安·霍斯特¹, 路易斯·圣地亚哥·米勒¹, 孙光裕¹, 杰里·莫里森¹, 马库斯W Covert²

附属公司

¹斯坦福大学生物工程系，加利福尼亚州斯坦福，94305，美国。
²斯坦福大学生物工程系，斯坦福，加利福尼亚州，94305，美国。mcovert@stanford.edu。

PMID： 35986058
预防性维修识别码： PMC9391491型
内政部： 10.1038/s41540-022-00242-9

扩展的大肠杆菌全细胞模型将细胞生理学与生长速率控制机制联系起来

特拉维斯·安·霍斯特等。 NPJ系统生物应用. 2022.

.2022年8月19日；8(1):30.

doi:10.1038/s41540-022-00242-9。

作者

特拉维斯·安霍斯特¹, 路易斯·圣地亚哥·米勒¹, 孙光裕¹, 杰里·莫里森¹, 马库斯W Covert²

附属公司

¹斯坦福大学生物工程系，斯坦福，加利福尼亚州，94305，美国。
²斯坦福大学生物工程系，加利福尼亚州斯坦福，94305，美国。mcovert@stanford.edu。

PMID： 35986058
预防性维修识别码： PMC9391491型
内政部： 10.1038/s41540-022-00242-9

摘要

生长和环境反应对于生物体生存和适应不断变化的环境至关重要。为了在发展中的大肠杆菌全细胞模型中模拟新的条件并捕获对环境变化的动态响应，我们加入了额外的调控，包括全局调控物四磷酸鸟苷（ppGpp）的动力学，以及氨基酸生物合成和翻译的动力学。通过该模型，我们表明，在扰动的ppGpp条件下，除了调节表达外，小分子反馈抑制途径在ppGpp-调节生长中也起作用。我们还发现，氨基酸合成途径失调的模拟提供了与实验结果相当的平均氨基酸浓度预测，但在单细胞水平上，浓度意外地显示出有规律的波动。此外，在营养物质可用性的升档和降档期间，模拟细胞的反应类似于mRNA：rRNA比率的短暂增加。这个额外的模拟功能应该支持大肠杆菌全细胞建模项目的各种新应用和扩展。

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利益冲突声明

作者声明没有相互竞争的利益。

数字

**图1。增长率控制的详细整体模型已纳入*大肠杆菌*全细胞建模项目。**
一代表将环境与生长联系起来的生物功能和调节的示意图。黑色箭头表示质量流，红色箭头表示调控抑制，绿色箭头表示激活。b条说明生物功能在(一)在*大肠杆菌*全细胞模型，包括调节相互作用和动力学反应速率。这种集成使得增长率可以由模拟状态决定，而模拟状态是对感兴趣的模拟环境作出响应的。虚线表示新的数学表示与已修改的现有建模过程之间的链接。由此产生的模型包括更多的基因功能，解释了更多小分子的行为，并可以适应更多环境中的模拟。

**图2。增长率模型的合并将导致对环境和环境变化的模拟响应，这对于特征良好的环境更为准确，对于特征不太好的环境更具生物学合理性。**
时间序列数据显示，在先前的模型中，在28代细胞中，营养素下降（绿色到橙色），随后营养素上升（橙色到绿色）(一)和当前模型(b条). 32个初始种子的平均值显示为深蓝色线，浅蓝色区域显示标准偏差。**c（c）**在最小（粉红色）和丰富（蓝色）介质中，24代的生长速率分布和上一版本模型的24个初始种子，虚线表示平均值。d日来自当前版本模型的24代和24个初始种子的生长速率分布，新条件（橙色和绿色）未直接参数化，并且介质中包含任意氨基酸组合。**e（电子）**多种环境条件下生长速率和RNA/蛋白质比率之间的关系。先前模型中的三种可能的介质条件以橙色显示，用于参数化（和模拟）的新介质条件以蓝色显示，未直接参数化的新介质情况以绿色显示。虚线是参考文献中报告的数据（Bremer和Dennis）。**（f）**将模型中计算的氨基酸摄取率与文献中生长时间序列中观察到的最大摄取率进行比较（Zampieri等人）。

**图3。ppGpp对生长的调节除了基因表达的调节外，还依赖于两条小分子反馈抑制途径。**
一生长速率与RNA/蛋白质质量比，用于模拟扰动ppGpp浓度（正方形和圆形）和文献（十字和虚线）。彩色点表示最低葡萄糖培养基条件，蓝色表示代谢酶限制的ppGpp较低，橙色表示核糖体限制的ppG pp较高。黑色箭头表示当ppGpp受到干扰时的预期趋势。平均增长率(b条)，核糖体（圆形）或氨基酸酶（方形）的平均容量归一化为野生型容量(**c（c）**)，核糖体（圆圈）和氨基酸酶的平均总输出率（平方）(d日)，每个核糖体的平均伸长率(**e（电子）**)，以及核糖体质量的平均分数，即超过rRNA质量且不包含在核糖体中(**（f）**)来自不同浓度ppGpp的模拟。蓝色方框表示ppGpp浓度导致酶限制，而橙色方框表示ppG pp浓度引起核糖体限制。克野生型ppGpp浓度、低ppGpp-浓度和低ppGapp-浓度下模拟的平均生长率，以及表达修饰（con:对照，enz:酶表达增加，rib:核糖体表达增加）。ppGpp对GTPase的平均抑制(小时)和总氨基酸浓度（左，圆圈）导致平均氨基酸途径变构抑制（右，方块）(我)来自不同浓度ppGpp的模拟。j个野生型ppGpp浓度、高ppGpp-浓度和高ppGp浓度下模拟的平均生长率，以及表达和/或GTPase修饰（con:对照，enz:酶表达增加，rib:核糖体表达增加，GTP:消除GTPase抑制）。模拟数据来自6代和8个初始种子（4个初始种子用于克和j个)误差条代表标准偏差。

**图4。去除氨基酸变构抑制的模拟提供了与实验结果相当的氨基酸浓度预测。**
一实验显示突变效应的示意图，其中点突变消除了氨基酸最终产物对导致氨基酸浓度升高的途径酶的变构抑制，而在模型中，突变被表示为增加最终产物抑制浓度的比例因子(K_我)这增加了氨基酸的生成速度。b条从实验（orange，Sander等人）和模型中去除变构抑制的野生型细胞和突变体中的氨基酸浓度，比例=无穷大（蓝色）。请注意，异亮氨酸和亮氨酸无法通过实验区分，但在模型中具有不同的浓度（固体：异亮氨酸，阴影：亮氨酸）。模拟的标准偏差见补充表4。**c（c）**与具有变构抑制的野生型相比，无变构抑制LeuA突变体的亮氨酸浓度时间序列显示出无酶抑制快速反馈的振荡浓度。蓝色轨迹显示单个细胞谱系，平均值显示为灰色。d日野生型模拟和对应氨基酸的突变模拟中每个氨基酸浓度的凹度变化平均频率。如果波动是定期的，这是1/周期的代理。**e（电子）**基于实验中浓度倍数变化与模拟倍数变化的对比，预测抑制去除程度。**（f）**报告野生型值（绿色）和有效的每种酶的变构反馈抑制常数K_我基于in分析的in突变体(d日)（紫色）。模拟数据来自16代和16个初始种子(b条), (**c（c）**)、和(d日)和8代和4个初始种子(**e（电子）**)和(**（f）**).

**图5。随着细胞重新分配生物量以优化生长，环境变化暂时偏离了预期的生长速率vs RNA/蛋白质比率趋势。**
生长速率和RNA/蛋白质质量比随时间变化而绘制，从富培养基中开始，去除培养基中的氨基酸，并在细胞完全调节适应新培养基后再添加氨基酸(一)，无机械氨基酸供应(b条)并且没有ppGpp调节(**c（c）**). 蓝色轨迹是32个细胞谱系的平均值，圆圈表示每小时的模拟。严格的反应表明，在所有监管措施实施后，环境恶化后，增长率立即受到大幅抑制。如果没有动力学氨基酸供应建模，翻译就不会受到限制，因此不会激活完全严格的响应。如果没有ppGpp调节，细胞组成的重组有限，因为RNA和蛋白质生长速率之间没有差异反应，与包含ppGpp.调节相比，严格反应的影响可以从生长速率反应的差异中看出。显示了细胞中RNA（浅紫色）和蛋白质（深紫色）部分随时间的增长率(d日)，无机械氨基酸供应(**e（电子）**)没有ppGpp规定(**（f）**). 较高的蛋白质增长率将导致RNA/蛋白质比率下降，而较高的RNA增长率将使RNA/蛋白比率增加。RNA聚合酶输出(克)，RNA降解率(小时)和mRNA与rRNA质量比(我)对于包含所有调节的模拟（蓝色），与没有ppGpp调节的模拟相比（灰色）。数据来自28代和32个初始种子。

**图6。在营养物质向上或向下转移期间，mRNA与rRNA比率的瞬时增加是通过不同的机制产生的。**
演示ppGpp浓度的增加或减少如何导致mRNA与rRNA比率的类似增加的玩具示例的示意图。“质量”表示在细胞周期开始时已经存在的RNA（蓝色：信使核糖核酸，红色：rRNA，灰色：降解的信使核糖核酸）的量，“产生”表示在整个细胞周期中产生的数量。注意，在最小或丰富的培养基中，信使核糖核酸和rRNA都加倍，生长平衡；然而，在瞬态移位期间，这些量不需要平衡。外角的文本描述了根据模拟观察从一个框切换到另一个框时的显著变化。在中心，显示了每种条件下的信使核糖核酸与rRNA的比率，其中瞬态转移条件都显示出比稳态最小培养基或富培养基更高的比率。

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