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.
Effects of various industrially important carbon sources (glucose, sucrose, xylose, gluconate, and glycerol) on shikimic acid (SA) biosynthesis in Escherichia coli were investigated to gain new insight into the metabolic capability for overproducing SA. At the outset, constraints-based flux analysis using the genome-scale in silico model of E. coli was conducted to quantify the theoretical maximum SA yield. The corresponding flux distributions fueled by different carbon sources under investigation were compared with respect to theoretical yield and energy utilization, thereby identifying the indispensable pathways for achieving optimal SA production on each carbon source. Subsequently, a shikimate-kinase-deficient E. coli mutant was developed by blocking the aromatic amino acid pathway, and the production of SA on various carbon sources was experimentally examined during 51 batch culture. As a result, the highest production rate, 1.92 mmol SA/h, was obtained when glucose was utilized as a carbon source, whereas the efficient SA production from glycerol was obtained with the highest yield, 0.21 mol SA formed per mol carbon atom of carbon source consumed. The current strain can be further improved to satisfy the theoretically achievable SA production that was predicted by in silico analysis.
A gene related to high pristinamycin yield in Streptomyces pristinaespiralis was selected by amplified fragment length polymorphism (AFLP) and its functions were investigated by gene disruption. First, a 561 bp polymorphic sequence was acquired by AFLP from high-yield recombinants compared with the S. pristinaespiralis ancestor ATCC25486, indicating that this approach is an effective means of screening for valuable genes responsible for antibiotic yield. Then, a 2,127 bp open reading frame of a gene designated spy1 that overlaps with the above fragment was identified and its structure and biological functions were investigated. In silico analysis of spy1 encoding a deduced 708-amino-acid-long serine/threonine protein kinase showed that it only contains a catalytic domain in the N-terminal region, which is different from some known homologs. Gene inactivation of chromosomal spy1 indicated that it plays a pleiotropic regulatory function in pristinamycin production, with a positive correlation to pristinamycin I biosynthesis and a negative correlation to pristinamycin II biosynthesis.
Baek, Dongwon;Chun, Hyun Jin;Yun, Dae-Jin;Kim, Min Chul
Molecules and Cells
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v.40
no.10
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pp.697-705
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2017
The maintenance of inorganic phosphate (Pi) homeostasis is essential for plant growth and yield. Plants have evolved strategies to cope with Pi starvation at the transcriptional, post-transcriptional, and post-translational levels, which maximizes its availability. Many transcription factors, miRNAs, and transporters participate in the Pi starvation signaling pathway where their activities are modulated by sugar and phytohormone signaling. Environmental stresses significantly affect the uptake and utilization of nutrients by plants, but their effects on the Pi starvation response remain unclear. Recently, we reported that Pi starvation signaling is affected by abiotic stresses such as salt, abscisic acid, and drought. In this review, we identified transcription factors, such as MYB, WRKY, and zinc finger transcription factors with functions in Pi starvation and other environmental stress signaling. In silico analysis of the promoter regions of Pi starvation-responsive genes, including phosphate transporters, microRNAs, and phosphate starvation-induced genes, suggest that their expression may be regulated by other environmental stresses, such as hormones, drought, cold, heat, and pathogens as well as by Pi starvation. Thus, we suggest the possibility of cross-talk between Pi starvation signaling and other environmental stress signaling pathways.
The bioconversion of cellulosic biomass hydrolyzates consisting mainly of glucose and xylose requires the use of engineered Saccharomyces cerevisiae expressing a heterologous xylose pathway. However, there is concern that a fungal xylose pathway consisting of NADPH-specific xylose reductase (XR) and $NAD^+$-specific xylitol dehydrogenase (XDH) may result in a cellular redox imbalance. However, the glycerol biosynthesis and glycerol degradation pathways of S. cerevisiae, termed here as the glycerol cycle, has the potential to balance the cofactor requirements for xylose metabolism, as it produces NADPH by consuming NADH at the expense of one mole of ATP. Therefore, this study tested if the glycerol cycle could improve the xylose metabolism of engineered S. cerevisiae by cofactor balancing, as predicted by an in-silico analysis using elementary flux mode (EFM). When the GPD1 gene, the first step of the glycerol cycle, was overexpressed in the XR/XDH-expressing S. cerevisiae, the glycerol production significantly increased, while the xylitol and ethanol yields became negligible. The reduced xylitol yield suggests that enough $NAD^+$ was supplied for XDH by the glycerol cycle. However, the GPD1 overexpression completely shifted the carbon flux from ethanol to glycerol. Thus, moderate expression of GPD1 may be necessary to achieve improved ethanol production through the cofactor balancing.
Food security will be affected by climate change worldwide, particularly in the developing world, where the most important food products originate from plants. Plants are often exposed to environmental stresses that may affect their growth, development, yield, and food quality. Auxin is a hormone that plays a critical role in improving plants' tolerance of environmental conditions. Auxin controls the expression of many stress-responsive genes in plants by interacting with specific cis-regulatory elements called auxin-responsive elements (AuxREs). In this work, we performed an in silico prediction of AuxREs in promoters of five auxin-responsive genes in Zea mays. We applied a data fusion approach based on the combined use of Dempster-Shafer evidence theory and fuzzy sets. Auxin has a direct impact on cell membrane proteins. The short-term auxin response may be represented by the regulation of transmembrane gene expression. The detection of an AuxRE in the promoter of prolyl oligopeptidase (POP) in Z. mays and the 3-fold overexpression of this gene under auxin treatment for 30 min indicated the role of POP in maize auxin response. POP is regulated by auxin to perform stress adaptation. In addition, the detection of two AuxRE TGTCTC motifs in the upstream sequence of the bx1 gene suggests that bx1 can be regulated by auxin. Auxin may also be involved in the regulation of dehydration-responsive element-binding and some members of the protein kinase superfamily.
Bolten, Christoph J.;Schroder, Hartwig;Dickschat, Jeroen;Wittmann, Christoph
Journal of Microbiology and Biotechnology
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v.20
no.8
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pp.1196-1203
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2010
In the present work, methanethiol and dimethyldisulfide were investigated as sulfur sources for methionine synthesis in Corynebacterium glutamicum. In silico pathway analysis predicted a high methionine yield for these reduced compounds, provided that they could be utilized. Wild-type cells were able to grow on both methanethiol and dimethyldisulfide as sole sulfur sources. Isotope labeling studies with mutant strains, exhibiting targeted modification of methionine biosynthesis, gave detailed insight into the underlying pathways involved in the assimilation of methanethiol and dimethyldisulfide. Both sulfur compounds are incorporated as an entire molecule, adding the terminal S-$CH_3$ group to O-acetylhomoserine. In this reaction, methionine is directly formed. MetY (O-acetylhomoserine sulfhydrylase) was identified as the enzyme catalyzing the reaction. The deletion of metY resulted in methionine auxotrophic strains grown on methanethiol or dimethyldisulfide as sole sulfur sources. Plasmid-based overexpression of metY in the ${\Delta}$metY background restored the capacity to grow on methanethiol or dimethyldisulfide as sole sulfur sources. In vitro studies with the C. glutamicum wild type revealed a relatively low activity of MetY for methanethiol (63 mU/mg) and dimethyldisulfide (61 mU/mg). Overexpression of metY increased the in vitro activity to 1,780 mU/mg and was beneficial for methionine production, since the intracellular methionine pool was increased 2-fold in the engineered strain. This positive effect was limited by a depletion of the metY substrate O-acetylhomoserine, suggesting a need for further metabolic engineering targets towards competitive production strains.
Beena, P.S.;Soorej, M.B.;Elyas, K.K.;Sarita, G. Bhat;Chandrasekaran, M.
Journal of Microbiology and Biotechnology
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v.20
no.10
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pp.1403-1414
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2010
Aspergillus awamori BTMFW032, isolated from sea water, produced tannase as an extracellular enzyme under submerged culture conditions. Enzymes with a specific activity of 2,761.89 IU/mg protein, a final yield of 0.51%, and a purification fold of 6.32 were obtained after purification through to homogeneity, by ultrafiltration and gel filtration. SDS-PAGE analyses, under nonreducing and reducing conditions, yielded a single band of 230 kDa and 37.8 kDa, respectively, indicating the presence of six identical monomers. A pI of 4.4 and a carbohydrate content of 8.02% were observed in the enzyme. The optimal temperature was found to be $30^{\circ}C$, although the enzyme was active in the range of $5-80^{\circ}C$. Two pH optima, pH 2 and pH 8, were recorded, although the enzyme was instable at a pH of 8, but stable at a pH of 2.0 for 24 h. Methylgallate recorded maximal affinity, and $K_m$ and $V_{max}$ were recorded at $1.9{\times}10^{-3}$M and 830 ${\mu}Mol$/min, respectively. The impacts of a number of metal salts, solvents, surfactants, and other typical enzyme inhibitors on tannase activity were determined in order to establish the novel characteristics of the enzyme. The gene encoding tannase, isolated from A. awamori, was found to be 1.232 kb, and nucleic acid sequence analysis revealed an open reading frame consisting of 1,122 bp (374 amino acids) of one stretch in the -1 strand. In silico analyses of gene sequences, and a comparison with reported sequences of other species of Aspergillus, indicate that the acidophilic tannase from marine A. awamori differs from that of other reported species.
Liang, Ying Shi;Bae, Hee-Jin;Kang, Sang-Ho;Lee, Theresa;Kim, Min Gab;Kim, Young-Mi;Ha, Sun-Hwa
Plant Biotechnology Reports
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v.3
no.4
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pp.325-331
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2009
To efficiently express a gene of interest in transgenic plants, the choice of promoter is a crucial factor as it directly affects the expression of the transgene that will yield the desired phenotype. The Arabidopsis ${\beta}-carotene$ hydroxylase 1 gene (AtBch1) shows constitutive and ubiquitous expression and was thus selected as one of best candidates for constitutive promoter analysis by both in silico northern blotting and semi-quantitative RT-PCR analysis. To investigate AtBch1 promoter activity, the 1,981-bp 5'-upstream region of this gene was fused with ${\beta}-glucuronidase$ (GUS) and transformed into Arabidopsis. Through the molecular characterization of transgenic leaf tissues, the AtBch1 promoter generated strong activity that drives 1.8- and 2-fold higher GUS expression than the cauliflower mosaic virus 35S (35S) promoter at the transcriptional and translational levels, respectively. Furthermore, the GUS enzyme activity driven by the AtBch1 promoter was 2.8-fold higher than that produced by the 35S promoter. By histochemical GUS staining, the ubiquitous expression of the AtBch1 promoter was observed in all tissues of Arabidopsis. Semi-quantitative RT-PCR analysis with different tissues further showed that this promoter serves as a strong constitutive driver of transgene expression in dicot plants.
The aim of this study is to develop and synthesize $5-HT_{1A}$ receptor imaging agents with WAY-100635 moiety and $^{99m}Tc(CO)_3$ core. WAY-100635 is commonly known as $5-HT_{1A}$ antagonist and its labeled compound ([$^{11}C$] WAY-100635) has been used as effective radioligand for imaging brain $5-HT_{1A}$ receptors with PET(Positron Emission Tomography). However, there are several restrictions in using a radioisotope of C-11 and requires for more effective radioisotopes and ligands. In order to produce a structure most similar to WAY-100635, WAY-100635 derivatives containing a cysteine chelator were designed and confirmed by using in silico (Hyperchem). The novel compounds (7a, 7b, 7c) were prepared in five or 7 steps with yields of 16%, 36% and 42%, respectively and radiolabeled with $[^{99m}Tc(CO)_3(H_2O)_3]^{+}$. The labeling yield was 99% for all the newly synthesized compounds. [$^{99m}Tc(CO)_3$]- WAY-100635 derivatives show a neutral charge which were confirmed by paper electrophoresis.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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