Various techniques and strategies have been developed for the identification of intracellular metabolic conditions, and among them, isotope balance-based flux analysis with gas chromatography/mass spectrometry (GC/ MS) has recently become popular. Even though isotope balance-based flux analysis allows a more accurate estimation of intracellular fluxes, its application has been restricted to relatively small metabolic systems because of the limited number of measurable metabolites. In this paper, a strategy for incorporating isotope balance-based flux data obtained for a small network into metabolic flux analysis was examined as a feasible alternative allowing more accurate quantification of intracellular flux distribution in a large metabolic system. To impose GC/MS based data into a large metabolic network and obtain optimum flux distribution profile, data reconciliation procedure was applied. As a result, metabolic flux values of 308 intracellular reactions could be estimated from 29 GC/ MS based fluxes with higher accuracy.
The systems-level analysis of microbes with myriad of heterologous data generated by omics technologies has been applied to improve our understanding of cellular function and physiology and consequently to enhance production of various bioproducts. At the heart of this revolution resides in silico genome-scale metabolic model, In order to fully exploit the power of genome-scale model, a systematic approach employing user-friendly software is required. Metabolic flux analysis of genome-scale metabolic network is becoming widely employed to quantify the flux distribution and validate model-driven hypotheses. Here we describe the development of an upgraded MetaFluxNet which allows (1) construction of metabolic models connected to metabolic databases, (2) calculation of fluxes by metabolic flux analysis, (3) comparative flux analysis with flux-profile visualization, (4) the use of metabolic flux analysis markup language to enable models to be exchanged efficiently, and (5) the exporting of data from constraints-based flux analysis into various formats. MetaFluxNet also allows cellular physiology to be predicted and strategies for strain improvement to be developed from genome-based information on flux distributions. This integrated software environment promises to enhance our understanding on metabolic network at a whole organism level and to establish novel strategies for improving the properties of organisms for various biotechnological applications.
The recent progress on metabolic systems engineering was reviewed based on our recent research results in terms of (1) metabolic signal flow diagram approach, (2) metabolic flux analysis (MFA) in particular with intracellular isotopomer distribution using NMR and/or GC-MS, (3) synthesis and optimization of metabolic flux distribution (MFD), (4) modification of MFD by gene manipulation and by controlling culture environment, (5) metabolic control analysis (MCA), (6) design of metabolic regulation structure, and (7) identification of unknown pathways with isotope tracing by NMR. The main characteristics of metabolic engineering is to treat metabolism as a network or entirety instead of individual reactions. The applications were made for poly-3-hydroxybutyrate (PHB) production using Ralstonia eutropha and recombinant Escherichia coli, lactate production by recombinant Saccharomyces cerevisiae, pyruvate production by vitamin auxotrophic yeast Toluropsis glabrata, lysine production using Corynebacterium glutamicum, and energetic analysis of photosynthesic microorganisms such as Cyanobateria. The characteristics of each approach were reviewed with their applications. The approach based on isotope labeling experiments gives reliable and quantitative results for metabolic flux analysis. It should be recognized that the next stage should be toward the investigation of metabolic flux analysis with gene and protein expressions to uncover the metabolic regulation in relation to genetic modification and/ or the change in the culture condition.
In order to investigate central metabolic changes in Beijerinckia indica, cells were grown on different carbon sources and intracellular flux distributions were studied under varying concentrations of nitrogen. Metabolic fluxes were estimated by combining material balances with extracellular substrate uptake rate, biomass formation rate, and exopolysaccharide (EPS) accumulation rate. Thirty-one metabolic reactions and 30 intracellular metabolites were considered for the flux analysis. The results revealed that most of the carbon source was directed into the Entner-Doudoroff pathway, followed by the recycling of triose-3-phosphate back to Hexose6-phosphate. The pentose phosphate pathway was operated at a minimal level to supply the precursors for biomass formation. The different metabolic behaviors under varying nitrogen concentrations were observed with flux analysis.
We have newly constructed an in silico model of fermentative metabolism for Lactococcus lactis in order to analyze the characteristics of metabolite flux for dynamic network. A rigorous mathematical model for metabolic flux has been developed and simulation researches have been performed by using GEPASI program. In this simulation task, we were able to predict the whole flux distribution trend for lactate metabolism and analyze the flux ratio on the pyruvate branch point by using metabolic flux analysis(MFA). And we have studied flux control coefficients of key reaction steps in the model by using metabolic control analysis(MCA). The role of pyruvate branch seems to be essential for the secretion of lactate and other organic byproducts. Then we have made an effort to elucidate its metabolic regulation characteristics and key reaction steps, and find an optimal condition for the production of lactate.
The intracellular metabolic fluxes can be calculated by metabolic flux analysis, which uses a stoichiometric model for the intracellulal reactions along with mass balances around the intracellular metabolites. In this study, metabolic flux analyses were carried out to estimate flux distributions for the maximum in silico yields of various metabolites in Escherichia coli. The maximum in silico yields of acetic acid and lactic acid were identical to their theoretical yields. On the other hand, the in silico yields of succinic acid and ethanol were only 83% and 6.5% of their theoretical yields, respectively. The lower in silico yield of succinic acid was found to be due to the insufficient reducing power. but this lower yield could be increased to its theoretical yield by supplying more reducing power. The maximum theoretical yield of ethanol could be achieved, when a reaction catalyzed by pyruvate decarboxylase was added in the metabolic network. Futhermore, optimal metabolic pathways for the production of various metabolites could be proposed, based on the results of metabolic flux analyses. In the case of succinic acid production, it was found that the pyruvate carboxylation pathway should be used for its optimal production in E. coli rather than the phosphoenolpyruvate carboxylation pathway.
A top-down approach is known to be a useful and effective technique for the design and analysis of metabolic systems. In this Study, we have constructed a grouped metabolic network for Lactococcus lactis under aerobic conditions using grouped enzyme kinetics. To test the usefulness of grouping work, a non-grouped system and grouped systems were compared quantitatively with each other. Here, grouped Systems were designed as two groups according to the extent of grouping. The overall simulated flux values in grouped and non-grouped models had pretty similar distribution trends, but the details on flux ratio at the pyruvate branch point showed a little difference. This result indicates that our grouping technique can be used as a good model for complicated metabolic networks, however, for detailed analysis of metabolic network, a more robust mechanism Should be considered. In addition to the data for the pyruvate branch point analysis, Some major flux control coefficients were obtained in this research.
1. Introduction 2. General flux balance model 3. MetaFluxNet 3.1 Overview of MetaFluxNet 3.2 Project file format 3.3 Construction of metabolite reaction model 3.4 Metabolic flux analysis using linear programming 3.5 Visualization of MFA results 4. Conclusion and plan 5. Acknowledgement. References.
A dynamic model of lactic acid fermentation using Lactococcus lactis was constructed, and a metabolic flux analysis (MFA) and metabolic control analysis (MCA) were performed to reveal an intensive metabolic understanding of lactic acid bacteria (LAB). The parameter estimation was conducted with COPASI software to construct a more accurate metabolic model. The experimental data used in the parameter estimation were obtained from an LC-MS/MS analysis and time-course simulation study. The MFA results were a reasonable explanation of the experimental data. Through the parameter estimation, the metabolic system of lactic acid bacteria can be thoroughly understood through comparisons with the original parameters. The coefficients derived from the MCA indicated that the reaction rate of L-lactate dehydrogenase was activated by fructose 1,6-bisphosphate and pyruvate, and pyruvate appeared to be a stronger activator of L-lactate dehydrogenase than fructose 1,6-bisphosphate. Additionally, pyruvate acted as an inhibitor to pyruvate kinase and the phosphotransferase system. Glucose 6-phosphate and phosphoenolpyruvate showed activation effects on pyruvate kinase. Hexose transporter was the strongest effector on the flux through L-lactate dehydrogenase. The concentration control coefficient (CCC) showed similar results to the flux control coefficient (FCC).
Mahadevan, Radhakrishnan;Burgard, Anthony P.;Famili, Iman;Dien, Steve Van;Schilling, Christophe H.
Biotechnology and Bioprocess Engineering:BBE
/
제10권5호
/
pp.408-417
/
2005
Increasing numbers of value added chemicals are being produced using microbial fermentation strategies. Computational modeling and simulation of microbial metabolism is rapidly becoming an enabling technology that is driving a new paradigm to accelerate the bioprocess development cycle. In particular, constraint-based modeling and the development of genome-scale models of industrial microbes are finding increasing utility across many phases of the bioprocess development workflow. Herein, we review and discuss the requirements and trends in the industrial application of this technology as we build toward integrated computational/experimental platforms for bioprocess engineering. Specifically we cover the following topics: (1) genome-scale models as genetically and biochemically consistent representations of metabolic networks; (2) the ability of these models to predict, assess, and interpret metabolic physiology and flux states of metabolism; (3) the model-guided integrative analysis of high throughput 'omics' data; (4) the reconciliation and analysis of on- and off-line fermentation data as well as flux tracing data; (5) model-aided strain design strategies and the integration of calculated biotransformation routes; and (6) control and optimization of the fermentation processes. Collectively, constraint-based modeling strategies are impacting the iterative characterization of metabolic flux states throughout the bioprocess development cycle, while also driving metabolic engineering strategies and fermentation optimization.
본 웹사이트에 게시된 이메일 주소가 전자우편 수집 프로그램이나
그 밖의 기술적 장치를 이용하여 무단으로 수집되는 것을 거부하며,
이를 위반시 정보통신망법에 의해 형사 처벌됨을 유념하시기 바랍니다.
[게시일 2004년 10월 1일]
이용약관
제 1 장 총칙
제 1 조 (목적)
이 이용약관은 KoreaScience 홈페이지(이하 “당 사이트”)에서 제공하는 인터넷 서비스(이하 '서비스')의 가입조건 및 이용에 관한 제반 사항과 기타 필요한 사항을 구체적으로 규정함을 목적으로 합니다.
제 2 조 (용어의 정의)
① "이용자"라 함은 당 사이트에 접속하여 이 약관에 따라 당 사이트가 제공하는 서비스를 받는 회원 및 비회원을
말합니다.
② "회원"이라 함은 서비스를 이용하기 위하여 당 사이트에 개인정보를 제공하여 아이디(ID)와 비밀번호를 부여
받은 자를 말합니다.
③ "회원 아이디(ID)"라 함은 회원의 식별 및 서비스 이용을 위하여 자신이 선정한 문자 및 숫자의 조합을
말합니다.
④ "비밀번호(패스워드)"라 함은 회원이 자신의 비밀보호를 위하여 선정한 문자 및 숫자의 조합을 말합니다.
제 3 조 (이용약관의 효력 및 변경)
① 이 약관은 당 사이트에 게시하거나 기타의 방법으로 회원에게 공지함으로써 효력이 발생합니다.
② 당 사이트는 이 약관을 개정할 경우에 적용일자 및 개정사유를 명시하여 현행 약관과 함께 당 사이트의
초기화면에 그 적용일자 7일 이전부터 적용일자 전일까지 공지합니다. 다만, 회원에게 불리하게 약관내용을
변경하는 경우에는 최소한 30일 이상의 사전 유예기간을 두고 공지합니다. 이 경우 당 사이트는 개정 전
내용과 개정 후 내용을 명확하게 비교하여 이용자가 알기 쉽도록 표시합니다.
제 4 조(약관 외 준칙)
① 이 약관은 당 사이트가 제공하는 서비스에 관한 이용안내와 함께 적용됩니다.
② 이 약관에 명시되지 아니한 사항은 관계법령의 규정이 적용됩니다.
제 2 장 이용계약의 체결
제 5 조 (이용계약의 성립 등)
① 이용계약은 이용고객이 당 사이트가 정한 약관에 「동의합니다」를 선택하고, 당 사이트가 정한
온라인신청양식을 작성하여 서비스 이용을 신청한 후, 당 사이트가 이를 승낙함으로써 성립합니다.
② 제1항의 승낙은 당 사이트가 제공하는 과학기술정보검색, 맞춤정보, 서지정보 등 다른 서비스의 이용승낙을
포함합니다.
제 6 조 (회원가입)
서비스를 이용하고자 하는 고객은 당 사이트에서 정한 회원가입양식에 개인정보를 기재하여 가입을 하여야 합니다.
제 7 조 (개인정보의 보호 및 사용)
당 사이트는 관계법령이 정하는 바에 따라 회원 등록정보를 포함한 회원의 개인정보를 보호하기 위해 노력합니다. 회원 개인정보의 보호 및 사용에 대해서는 관련법령 및 당 사이트의 개인정보 보호정책이 적용됩니다.
제 8 조 (이용 신청의 승낙과 제한)
① 당 사이트는 제6조의 규정에 의한 이용신청고객에 대하여 서비스 이용을 승낙합니다.
② 당 사이트는 아래사항에 해당하는 경우에 대해서 승낙하지 아니 합니다.
- 이용계약 신청서의 내용을 허위로 기재한 경우
- 기타 규정한 제반사항을 위반하며 신청하는 경우
제 9 조 (회원 ID 부여 및 변경 등)
① 당 사이트는 이용고객에 대하여 약관에 정하는 바에 따라 자신이 선정한 회원 ID를 부여합니다.
② 회원 ID는 원칙적으로 변경이 불가하며 부득이한 사유로 인하여 변경 하고자 하는 경우에는 해당 ID를
해지하고 재가입해야 합니다.
③ 기타 회원 개인정보 관리 및 변경 등에 관한 사항은 서비스별 안내에 정하는 바에 의합니다.
제 3 장 계약 당사자의 의무
제 10 조 (KISTI의 의무)
① 당 사이트는 이용고객이 희망한 서비스 제공 개시일에 특별한 사정이 없는 한 서비스를 이용할 수 있도록
하여야 합니다.
② 당 사이트는 개인정보 보호를 위해 보안시스템을 구축하며 개인정보 보호정책을 공시하고 준수합니다.
③ 당 사이트는 회원으로부터 제기되는 의견이나 불만이 정당하다고 객관적으로 인정될 경우에는 적절한 절차를
거쳐 즉시 처리하여야 합니다. 다만, 즉시 처리가 곤란한 경우는 회원에게 그 사유와 처리일정을 통보하여야
합니다.
제 11 조 (회원의 의무)
① 이용자는 회원가입 신청 또는 회원정보 변경 시 실명으로 모든 사항을 사실에 근거하여 작성하여야 하며,
허위 또는 타인의 정보를 등록할 경우 일체의 권리를 주장할 수 없습니다.
② 당 사이트가 관계법령 및 개인정보 보호정책에 의거하여 그 책임을 지는 경우를 제외하고 회원에게 부여된
ID의 비밀번호 관리소홀, 부정사용에 의하여 발생하는 모든 결과에 대한 책임은 회원에게 있습니다.
③ 회원은 당 사이트 및 제 3자의 지적 재산권을 침해해서는 안 됩니다.
제 4 장 서비스의 이용
제 12 조 (서비스 이용 시간)
① 서비스 이용은 당 사이트의 업무상 또는 기술상 특별한 지장이 없는 한 연중무휴, 1일 24시간 운영을
원칙으로 합니다. 단, 당 사이트는 시스템 정기점검, 증설 및 교체를 위해 당 사이트가 정한 날이나 시간에
서비스를 일시 중단할 수 있으며, 예정되어 있는 작업으로 인한 서비스 일시중단은 당 사이트 홈페이지를
통해 사전에 공지합니다.
② 당 사이트는 서비스를 특정범위로 분할하여 각 범위별로 이용가능시간을 별도로 지정할 수 있습니다. 다만
이 경우 그 내용을 공지합니다.
제 13 조 (홈페이지 저작권)
① NDSL에서 제공하는 모든 저작물의 저작권은 원저작자에게 있으며, KISTI는 복제/배포/전송권을 확보하고
있습니다.
② NDSL에서 제공하는 콘텐츠를 상업적 및 기타 영리목적으로 복제/배포/전송할 경우 사전에 KISTI의 허락을
받아야 합니다.
③ NDSL에서 제공하는 콘텐츠를 보도, 비평, 교육, 연구 등을 위하여 정당한 범위 안에서 공정한 관행에
합치되게 인용할 수 있습니다.
④ NDSL에서 제공하는 콘텐츠를 무단 복제, 전송, 배포 기타 저작권법에 위반되는 방법으로 이용할 경우
저작권법 제136조에 따라 5년 이하의 징역 또는 5천만 원 이하의 벌금에 처해질 수 있습니다.
제 14 조 (유료서비스)
① 당 사이트 및 협력기관이 정한 유료서비스(원문복사 등)는 별도로 정해진 바에 따르며, 변경사항은 시행 전에
당 사이트 홈페이지를 통하여 회원에게 공지합니다.
② 유료서비스를 이용하려는 회원은 정해진 요금체계에 따라 요금을 납부해야 합니다.
제 5 장 계약 해지 및 이용 제한
제 15 조 (계약 해지)
회원이 이용계약을 해지하고자 하는 때에는 [가입해지] 메뉴를 이용해 직접 해지해야 합니다.
제 16 조 (서비스 이용제한)
① 당 사이트는 회원이 서비스 이용내용에 있어서 본 약관 제 11조 내용을 위반하거나, 다음 각 호에 해당하는
경우 서비스 이용을 제한할 수 있습니다.
- 2년 이상 서비스를 이용한 적이 없는 경우
- 기타 정상적인 서비스 운영에 방해가 될 경우
② 상기 이용제한 규정에 따라 서비스를 이용하는 회원에게 서비스 이용에 대하여 별도 공지 없이 서비스 이용의
일시정지, 이용계약 해지 할 수 있습니다.
제 17 조 (전자우편주소 수집 금지)
회원은 전자우편주소 추출기 등을 이용하여 전자우편주소를 수집 또는 제3자에게 제공할 수 없습니다.
제 6 장 손해배상 및 기타사항
제 18 조 (손해배상)
당 사이트는 무료로 제공되는 서비스와 관련하여 회원에게 어떠한 손해가 발생하더라도 당 사이트가 고의 또는 과실로 인한 손해발생을 제외하고는 이에 대하여 책임을 부담하지 아니합니다.
제 19 조 (관할 법원)
서비스 이용으로 발생한 분쟁에 대해 소송이 제기되는 경우 민사 소송법상의 관할 법원에 제기합니다.
[부 칙]
1. (시행일) 이 약관은 2016년 9월 5일부터 적용되며, 종전 약관은 본 약관으로 대체되며, 개정된 약관의 적용일 이전 가입자도 개정된 약관의 적용을 받습니다.