Adaptations and constraints associated with autotrophy in microbial metabolism

• Carbon dioxide (CO2) emissions from human activities are driving climate change, but the pending crisis could be mitigated by a circular carbon economy where released CO2 is recycled into commodity chemicals. Autotrophic microbes can make a contribution by producing chemicals, such as biofuels, from CO2 and renewable energy. The primary natural CO2 fixation pathway is the Calvin cycle, in which the enzyme Rubisco carboxylates ribulose-1,5-bisphosphate. The present investigation used computational systems biology methods to map adaptations and constraints in autotrophic microbial metabolism based on the Calvin cycle. First, the metabolic network of the Calvin cycle-capable photoautotrophic cyanobacterium Synechocystis was contrasted with that of heterotrophic E. coli. Intracellular metabolite concentration ranges differed, leading to different capacity to provide thermodynamic driving forces to chemical production pathways. Second, the Calvin cycle in Synechocystis was modeled kinetically, showing that certain enzyme saturation and metabolite levels, for example high ribulose-1,5-bisphosphate concentration, were detrimental to stability. Control over reaction rates was distributed, but making certain enzymes faster, for example fructose-1,6-bisphosphatase, could increase overall carbon fixation rate. Third, Synechocystis was starved of CO2 and ribosome profiling was used to track the effect on translation. Stress response and CO2 uptake were upregulated, but constant Rubisco expression and ribosome pausing in 5' untranslated regions indicated readiness for reappearance of CO2. Finally, microbial genomes with and without the Calvin cycle were contrasted, revealing metabolic, energetic, and regulatory adaptations that describe the properties of a functional autotroph. These findings provide a background for future study and engineering of autotrophs for direct conversion of CO2 into commodity chemicals.

• Utsläpp av koldioxid (CO2) från mänskliga aktiviteter driver klimatförändringarna, men den stundande krisen skulle kunna mildras av en cirkulär kolekonomi där CO2 som släpps ut återvinns till råvarukemikalier. Autotrofa mikrober kan bidra genom att producera kemikalier, såsom biobränslen, från CO2 och förnybar energi. Den primära naturliga syntesvägen för CO2-fixering är calvincykeln, i vilken enzymet Rubisco karboxylerar ribulos-1,5-bisfosfat. Undersökningen som ligger till grund för denna avhandling använde systembiologiska beräkningsmetoder för att kartlägga anpassningar och begränsningar i autotrof mikrobiell metabolism baserad på calvincykeln. För det första kontrasterades det metaboliska nätverket hos den calvincykelkapabla fotoautotrofa cyanobakterien Synechocystis med det hos heterotrofen E. coli. De intracellulära metabolitkoncentrationerna var olika, vilket ledde till olika kapacitet att bistå med termodynamisk drivkraft till kemiska syntesvägar. För det andra modellerades calvincykeln i Synechocystis kinetiskt, vilket visade att vissa enzymsatureringsnivåer och metabolitkoncentrationer, bland annat hög ribulos-1,5-bisfosfatkoncentration, motverkade stabiliteten. Kontroll över reaktionshastigheter var distribuerad, men ökning av hastigheten hos vissa enzymer, till exempel fruktos-1,6-bisfosfatas, skulle kunna öka den generalla kolfixeringshastigheten. För det tredje svältes Synechocystis på CO2 och ribosomprofilering användes för att följa effekten på translationen. Stressrespons och CO2-upptag uppreglerades, men konstant uttryck av Rubisco och pausning av ribosomer i de icketranslaterade 5'-regionerna indikerade beredskap för ett återuppträdande av CO2. Slutligen jämfördes mikrobiella genom med och utan calvincykeln, vilket avslöjade metaboliska, energetiska, och regulatoriska anpassningar som beskriver egenskaperna hos en funktionell autotrof. Dessa upptäckter ger en bakgrund för framtida studier och ingenjörsmässig design av autotrofer för direkt omvandling av CO2 till råvarukemikalier.

Ämnesord

NATURVETENSKAP  -- Biologi -- Bioinformatik och systembiologi (hsv//swe)

NATURAL SCIENCES  -- Biological Sciences -- Bioinformatics and Systems Biology (hsv//eng)

Nyckelord

Autotrophy

Carbon fixation

CO2 fixation

Calvin cycle

CBB cycle

Bacteria

Archaea

Prokaryotes

Cyanobacteria

Synechocystis

E. coli

Comparative genomics

Metabolic engineering

Microbial metabolism

Machine learning

Systems biology

Ribosome profiling

Kinetic modeling

Enzyme kinetics

Metabolic models

Pathway enumeration

Biosynthesis pathways

Metabolomics

Metabolite concentrations

Thermodynamics

Autotrofi

Kolfixering

CO2-fixering

Calvincykeln

CBB-cykeln

Bakterier

Arkéer

Prokaryoter

Cyanobakterier

Synechocystis

E. coli

Jämförande genomik

Metabolisk ingenjörskonst

Mikrobiell metabolism

Maskininlärning

Systembiologi

Ribosomprofilering

Kinetisk modellering

Enzymkinetik

Metaboliska modeller

Syntesvägsuppräkning

Biosyntesvägar

Metabolomik

Metabolitkoncentrationer

Termodynamik

Bioteknologi

Biotechnology

Publikations- och innehållstyp

vet (ämneskategori)

dok (ämneskategori)