مهار مسيرهاي رقابتي براي افزايش توليد بوتانتريول در اشريشيا كلي از طريق شبيه سازي شبكه متابوليك

Inhibition of competitive pathways to increase butanetriol production in the Escherichia coli through metabolic network simulation

تامين انرژي پاك، تجديدپذير و فراوان يكي از دغدغه هاي اصلي تمدن بشر امروزي است. سوخت هاي فسيلي محدود و گران هستند و آسيب هاي ناشي از استفاده از آنها باعث شده تا مردم به سوخت هاي زيستي كه بخشي از انرژي هاي تجديدپذير هستند روي بياورند. يكي از اين مواد ارزشمند 1.2.4-بوتانتريول است كه يك ماده شيميايي غيرطبيعي با ارزش بالا است و خواص آن مشابه گليسرول است. و به عنوان پيش ساز در ساخت 1،2،4-بوتانديول تري نيترات به عنوان يك محصول در صنايع نظامي، پليمرها و داروها كاربردهاي اساسي دارد. در اين مطالعه، بازسازي شبكه متابوليك در مقياس ژنوم اشريشيا كلي (iML1515)براي توليد بوتانتريول از منبع كربن ارزان، زايلوز، مدل‌سازي شد.براي اين منظور از روش «بازسازي و تحليل مبتني بر محدوديت» با استفاده از جعبه ابزار COBRA، افزونه پياده‌سازي شده در نرم‌افزار متلب استفاده كرديم. مسير توليد بوتانتريول از زايلوز بهينه شد و مسيرهاي رقابتي كه زايلوز مصرف مي‌كردند مسدود شدند. نتيجه تجزيه و تحليل FBA نشان داد كه شبكه بازسازي شده براي توليد بوتانتريول داراي شار است. وخروجي آن در شبكه متابوليك اشريشيا كلي امكان پذير بود. در نهايت با اعمال محدوديت‌هاي اضافي و انجام برخي تحليل‌هاي رونويسي، واكنش‌هاي لازم و غيرضروري براي بهبود توليد بوتانتريول مشخص شد. با توجه به اينكه حذف كامل ژن هاي رقابتي با افزايش زمان لازم براي تكثير، ميزان توليد زيست توده را كاهش داد. بنابراين با كاهش بيان ژن‌هاي رقابتي و عدم حذف، ميزان توليد بوتانتريول به 20mMol/gDW/hr رسيد كه نسبت به زمان حذف كامل ژن‌ها افزايش قابل‌توجهي است.

Supplying clean, renewable, and abundant energy is one of the main concerns of today s human civilization. Fossil fuels are limited and expensive, and damages caused by their use have made people turn to biofuels which are part of renewable energy.One of these valuable substances is 1.2.4-butanetriol, an unnatural chemical substance with high value, and its properties are similar to glycerol.This chemical has essential applications as a precursor in manufacturing 1,2,4-butanediol trinitrate as a product in the military industry, polymers, and medicines. In this study, the genome-scale metabolic network reconstruction of Escherichia coli (iML1515) was modeled for butanetriol production from the cheap carbon source, xylose. For this purpose, we applied the Constraint-Based Reconstruction and Analysis (COBRA) method by using the COBRA toolbox, an extension implemented in MATLAB software.The pathway for butanetriol production from xylose was optimized, and competing pathways that consumed xylose were blocked. The result of the FBA analysis showed that the reconstructed network for butanetriol production has flux. Hence, its output in the metabolic network of E. coli was possible in silico. Finally, an attempt was made to determine the necessary and unnecessary reactions for improving butanetriol production by applying additional constraints and making some transcriptomics analysis. Considering that the complete deletion of competitive genes decreased the amount of biomass production by increasing the time required for proliferation; so by reducing the expression of competitive genes and not deletion, the amount of the butanetriol production reached 20mMol/gDW/hr,which is a significant increment compared to the time of complete genes deletion.