ゲノムスケールの代謝モデルを用いたM1camのための培地の設計

Genome-Scale Metabolic Model Driven Design of a Defined Medium for M1cam.

• Noemi Tejera
• Lisa Crossman
• Bruce Pearson
• Emily Stoakes
• Fauzy Nasher
• Bilal Djeghout
• Mark Poolman
• John Wain
• Dipali Singh

抄録

食物を媒介とする細菌性胃腸炎の最も頻度の高い原因菌であるM1camは、実験室で増殖させた場合には非常に頑固な生物である。酸素は、嫌気性呼吸のための代謝機構の存在にもかかわらず、成長のために必要です。アミノ酸オーソトロピーは多様に報告されており、エネルギー代謝は、いくつかの電子供与体/受容体の組み合わせを介して発生することができます。全体的に見ると、柔軟ではあるが脆弱な代謝の一つである。代謝を理解するために、我々は基準生物M1（我々のバリアントはM1cam）のために完全にキュレーションされた代謝モデルを構築し、実験室での実験を通してそれを検証しました。その結果、M1camはメチオニン、ナイアシンアミド、パントテン酸に対して補助栄養状態にあることがわかりました。M1camはメチオニン以外の全てのアミノ酸に対して完全な生合成経路を持ち、酸素がない状態でもエネルギーを生産することができますが、バイオマスを生産することはできませんでした。M1camはDMEM/F-12の定義された培地で生育しますが、以前に発表された特定の定義された培地では生育しません。このモデルを用いて、成長を改善する可能性のある補助栄養と基質を同定しました。この情報をもとに、無機塩、補助栄養基質であるL-メチオニン、ナイアシンアミド、パントテン酸、ピルビン酸、および成長促進のための追加アミノ酸であるL-システイン、L-セリン、L-グルタミンを含むシンプルな定義済み培地を設計しました。我々の定義された培地は、37℃で48時間後にブルセラブロスよりも1.75倍高い成長率をサポートし、他の菌株の成長を維持します。この培地は、この病原体の適応、ストレス耐性、および病原性メカニズムをよりよく理解するのに役立つ再現性のあるアッセイを設計するために使用することができます。我々は、よく培養された代謝モデルを用いて、この難病菌を増殖させるための培地を設計することが可能であることを示してきた。このことは、メタゲノミクスによって定義された新種の研究に意味を持ちます。

, the most frequent cause of food-borne bacterial gastroenteritis, is a fastidious organism when grown in the laboratory. Oxygen is required for growth, despite the presence of the metabolic mechanism for anaerobic respiration. Amino acid auxotrophies are variably reported and energy metabolism can occur through several electron donor/acceptor combinations. Overall, the picture is one of a flexible, but vulnerable metabolism. To understand metabolism, we have constructed a fully curated, metabolic model for the reference organism M1 (our variant is M1cam) and validated it through laboratory experiments. Our results show that M1cam is auxotrophic for methionine, niacinamide, and pantothenate. There are complete biosynthesis pathways for all amino acids except methionine and it can produce energy, but not biomass, in the absence of oxygen. M1cam will grow in DMEM/F-12 defined media but not in the previously published specific defined media tested. Using the model, we identified potential auxotrophies and substrates that may improve growth. With this information, we designed simple defined media containing inorganic salts, the auxotrophic substrates, L-methionine, niacinamide, and pantothenate, pyruvate and additional amino acids L-cysteine, L-serine, and L-glutamine for growth enhancement. Our defined media supports a 1.75-fold higher growth rate than Brucella broth after 48 h at 37°C and sustains the growth of other strains. This media can be used to design reproducible assays that can help in better understanding the adaptation, stress resistance, and the virulence mechanisms of this pathogen. We have shown that with a well-curated metabolic model it is possible to design a media to grow this fastidious organism. This has implications for the investigation of new species defined through metagenomics, such as .

Copyright © 2020 Tejera, Crossman, Pearson, Stoakes, Nasher, Djeghout, Poolman, Wain and Singh.