蛋白质组重分配最小化驱动碳源层级利用中的代谢转换机制解析

本研究通过系统生物学方法揭示了凝结芽孢杆菌（Bacillus coagulans）在混合碳源（葡萄糖/海藻糖）层级利用过程中，从同型乳酸发酵向异型乳酸发酵转换的代谢策略。创新性提出动态蛋白质组重分配最小化（dMORP）理论框架，结合酶约束基因组尺度代谢模型（GEM）和多组学数据，证实细菌通过最小化蛋白质组重分配（MORP）适应环境变化。研究不仅阐明了代谢网络冗余性下的细胞决策机制，还为工业发酵优化提供了新思路。

　　

ABSTRACT

细胞在动态环境中对代谢通路的选择机制是系统生物学的重要命题。研究发现凝结芽孢杆菌DSM 1在单一葡萄糖或海藻糖条件下均表现同型乳酸发酵（理论产率1 g/g），但在混合碳源中呈现典型层级利用现象：葡萄糖优先消耗阶段（P_gluc，0-12 h）保持高产率（0.897 g/g），而海藻糖利用阶段（P_tre，16-84 h）产率骤降至0.526 g/g，伴随乙酸/乙醇等副产物积累。这种代谢转换无法用传统目标函数（如生长最大化）解释。

INTRODUCTION

代谢网络冗余性使细胞具备通路选择能力，但动态环境下的决策机制尚不明确。研究以工业菌株凝结芽孢杆菌为模型，其拥有同型（EMP途径）和异型（磷酸酮醇酶途径）两条乳酸发酵通路。前者产能效率高但蛋白投入大，后者虽产率减半但蛋白经济性更优，这种"效率-资源"权衡在稳态研究中已有报道，但动态转换机制仍是空白。

RESULTS

代谢表型与建模突破
通过5 L发酵罐实验发现，过渡期（P_lag）出现生物量下降和代谢停滞。构建的酶约束模型eciBcoa620（含620个基因）经Memote评估达81分。创新性提出动态蛋白质组重分配最小化（dMORP）算法，相比生长最大化等传统目标函数，其预测的乳酸产量误差降低67%，且准确捕捉到P_tre阶段磷酸酮醇酶通量提升3.2倍的现象。

多组学验证机制
转录组/蛋白组分析显示，P_gluc→P_tre转换时核糖体合成通路显著下调（P_adjusted<0.01）。中心碳代谢酶的使用通量与实测mRNA水平相关性达0.82，证实细胞通过"酶资源再利用"而非重新合成来适应碳源切换。这种策略使蛋白质组调整幅度减少40%，但代价是代谢效率降低。

进化工程应用
通过40代交替培养（葡萄糖/2-脱氧葡萄糖+海藻糖）获得能共利用碳源的进化菌株Ev3。全基因组测序发现所有进化株均出现葡萄糖特异性磷酸转移酶（crr）突变。dMORP成功预测了进化株在碳源耗尽后的代谢行为，验证了框架的普适性。

DISCUSSION

研究建立了"代谢转换-蛋白组约束"的定量关系，揭示细菌在环境剧变时优先维持蛋白组稳态的进化策略。dMORP相较于最小代谢调整（MOMA）更能反映酶资源限制下的细胞决策，为动态代谢建模提供了新范式。在工业应用方面，该理论指导获得的进化株使乳酸总产率提升15%，发酵周期缩短20%。未来可拓展至真核细胞代谢重编程研究。

MATERIALS AND METHODS

关键技术包括：① 采用GECKO工具箱构建酶约束模型；② 基于Michaelis-Menten方程的动态通量平衡分析（dFBA）；③ 结合TMT标记的定量蛋白质组学；④ 采用60%甲醇淬灭法保障胞内代谢物检测准确性。所有计算均通过COBRA工具箱在Matlab R2019a平台完成。