Systems analysis of minimal metabolic networks In prokaryotes

Abstract

The complexity of living cells is staggering, as a result of billions of years of evolution through natural selection in constantly changing environments. Systems biology emerges as the preferred approach to the disentangling of this complexity by looking at living cells and their responses to environments in a holistic manner. Complete annotated sequences of genomes are now available for thousands of species of the simplest unicellular life forms known, the prokaryotes. Together with other large-scale datasets as proteomes and phenotypic screenings and a careful analysis of the literature, genome annotations allow for the reconstruction of large constraint-based models of cellular metabolism. Here, genome-scale metabolic models (GSMs) of prokaryotes are used together with other disparate large-scale datasets and literature assessments to study and predict essential components in minimal metabolic networks. A conceptual clarification is presented in a review of systems biology perspectives on minimal and simpler cells. An assessment of the biomass compositions in 71 GSMs of prokaryotes was then performed, revealing heterogeneity that impacted predictions of reaction essentiality. The integration of 33 large-scale essentiality assays with other data and literature revealed universally and conditionally essential cofactors for prokaryotes. These were used to revise predictions of essential genes and in the prediction of one biosynthetic pathway in the GSM of M. tuberculosis. Additionally, a large-scale assessment of essentiality of different metabolic subsystems was performed with 15 comparable GSMs. The results were validated with 36 large-scale experimental assays of gene essentiality. The ancestry of metabolic genes and subsystems was estimated by blasting representative genomes of all the phyla in the prokaryotic tree of life. Ancestry was correlated with essentiality in general but not with non-essentiality. Finally, a method was devised to generate minimal viable metabolic networks based on a curated and diverse universe of prokaryotic metabolic reactions. Different growth media were tested and shown to generate different networks regarding size, cofactor requirements and maximum biomass production. The results of this work are expected to contribute for fundamental investigations of core and ancestral prokaryotic metabolism and the design of modularized and controllable chassis cells.

A complexidade das células vivas é surpreendente, como resultado de milhares de milhões de anos de evolução através de seleção natural em ambientes em constante mudança. A Biologia de sistemas surge como a abordagem preferencial para analisar esta complexidade por examinar as células e as suas respostas ao meio de uma forma holística. Estão hoje disponíveis sequências completas e anotadas de genomas para milhares de espécies das formas de vida unicelulares mais simples conhecidas, os procariotas. Juntamente com outros conjuntos de dados de larga escala como proteomas e triagens fenotípicas e uma análise cuidadosa da literatura, os genomas anotados permitem a reconstrução de grandes modelos do metabolismo celular baseados em restrições. Neste trabalho utilizam-se modelos metabólicos à escala genómica (GSMs) de procariotas em conjunto com outros grandes conjuntos de dados díspares e avaliações da literatura para estudar e prever componentes essenciais em redes metabólicas mínimas. Um esclarecimento conceptual é apresentado numa revisão de perspectivas da biologia de sistemas sobre células mínimas e mais simples. Segue-se uma avaliação das composições de biomassa em 71 GSMs de procariotas, revelando a heterogeneidade que afecta as previsões de essencialidade de reações. Com a integração de 33 ensaios em grande escala de essencialidade com outros dados e literatura, revelam-se cofactores essenciais universais e condicionais em procariotas. Estes foram utilizados na revisão de previsões de genes essenciais e na previsão de uma via biossintética no GSM de M. tuberculosis. Adicionalmente, foi realizada uma avaliação em larga escala de essencialidade de diferentes subsistemas metabólicos com 15 GSMs comparáveis. Os resultados foram validados com 36 ensaios experimentais de essencialidade em larga escala. A ancestralidade de genes metabólicos e subsistemas foi estimada por blast a genomas representativos de todos os filos na árvore da vida procariota. A ancestralidade revelou-se correlacionada com a essencialidade em geral, mas não com a não essencialidade. Finalmente, concebeu-se um método para gerar redes metabólicas mínimas viáveis com base num universo curado e diversificado de reações metabólicas procariotas. Diferentes meios de crescimento foram testados, mostrando-se a geração de diferentes redes em relação ao tamanho, os requisitos de cofactores e a produção de biomassa máxima. Espera-se que os resultados deste trabalho contribuam para investigações fundamentais dos metabolismos essencial e ancestral de procariotas e para o desenho de células chassis modulares e controláveis.