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.
Journal of Institute of Control, Robotics and Systems
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v.11
no.10
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pp.823-829
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2005
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.
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.
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.
The sk10 isolated from kimchi was identified as W. kimchii on the basis of l6s-rDNA sequencing. Studies were made to analyze the metabolic flux shift of the sk10 on glucose under aerobic growth conditions. The sk10 produced 38.2 mM acetate, 16.3 mM ethanol, and 33.2 mM lactate under aerobic conditions, but 2.4 mM acetate, 48.0 mM ethanol, and 44.1 mM lactate under anaerobic conditions. The NADH peroxidase (NADH-dependent hydrogen peroxidase) activity of sk10 grown under aerobic conditions was 11 times higher than that under anaerobic conditions. Under the low ratio of $NADH/NAD^+$, the metabolic flux toward lactate and ethanol was shifted to the flux through acetate kinase without NADH oxidation. The kinds of enzymes and metabolites of sk10 were close to those in the pathway of Leuconostoc sp., but the metabolites produced under aerobic growth conditions were different from those of Leuconostoc sp. The stoichiometric balance calculated using the concentrations of metabolites and substrate was about 97%, coincident with the theoretical values under both aerobic and anaerobic conditions. From these results, it was concluded that the metabolic flux of W. kimchii sk10 was partially shifted from lactate and ethanol to acetate under aerobic conditions only.
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.
Proceedings of the Korean Society for Applied Microbiology Conference
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2005.06a
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pp.233-244
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2005
Guanosine fermentation process can be well predicted and analyzed by the proposed state equations describing the dynamic change of a bioreactor. Pyruvate and alanine were found to be characteristically accumulated along with the decline of the guanosine formation rate during the mid-late phase of the process. The enzymological study of the main pathways in glucose catabolism and the quantitative stoichiometric calculation of metabolic flux distribution revealed that it was entirely attributed to the shift of metabolic flux from hexose monophosphate (HMP) pathway to glycolysis pathway. The process optimization by focusing on the restore of the shift of metabolic flux was conducted and the overcoming the decrease of oxygen uptake rate (OUR) was taken as the relevant factor of the trans-scale operation. As a result, the production of guanosinewas increased from 17 g/L to over 34 g/I.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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