Reconstructing the metabolic network of Lactobacillus helveticus on a genome-wide scale

Abstract

The constant growth of high-throughput data generation and omics approaches require informatics support and (semi) automated processes to be developed. With increasing number of sequenced genomes available, metabolic engineering processes will allow a rational alteration of the genetic architecture to achieve specific phenotypes. These alterations will allow to generate and optimize features of some organisms with economic and health interest. Lactobacillus helveticus is an important industrial lactic-acid bacterium being used in the production of several types of cheese. The metabolic activities of the bacterium contribute to the cheese flavour and reduce bitterness. Lb. helveticus is a growing body of literature on the health-promoting properties of its various strains and generally accepted as probiotic for its anti-mutagenic, immunomodulatory and anti-diarrheal effects. The aim of this project was to reconstruct a genome-scale metabolic network of Lb. helveticus CNRZ32, based on its genome sequence annotation as well as known biochemical and physiological characteristics. The generated model contained 790 reactions, 894 metabolites and 1687 genes. The growth rate predicted by the model on sugar was comparable to the reported in literature. This model provides the basis for a constraint-based mathematical model capable of simulating the phenotype of the organism under different growth conditions and guiding indepth physiological studies and hypothesis generation.

O crescimento constante do volume de dados de alto rendimento gerados e de abordagens ómicas urgem de desenvolvimento de suporte informático e processos (semi) automatizados. O aumento do número de genomas sequenciados disponíveis, os processos de engenharia metabólica permitirá uma alteração racional da arquitetura genética para alcançar fenótipos específicos. Estas alterações irão permitir gerar e otimizar características de organismos com interesse económico e de saúde. Lactobacillus helveticus é uma bactéria lática com importância para o uso industrial e utilizada na produção de vários tipos de queijo. A atividade metabólicas da bactéria contribui para o sabor do queijo e para a redução da sua acidez. Lb. Helveticus é geralmente aceite como probiótico, com um crescente volume de literatura sobre as suas propriedades que contribuem positivamente para a saúde em várias das suass estirpes, assim como os seus efeitos antimutagénicos, imunomoduladores e antidiarreicos. O objetivo deste projeto é gerar uma reconstrução da rede metabólica à escala geneomica de Lb. helveticus CNRZ32 baseado na anotação de sequência do genoma, bem como das suas características bioquímicas e fisiológicas. O modelo gerado continha 790 reações, 894 reações e 1687 genes. A taxa de crescimento prevista pelo modelo sobre o açúcar é comparável ao relatado na literatura. A reconstrução deste modelo serve como base para a rescontrução de modelo matemático baseado em restrições capaz de simular o fenótipo do organismo sob diferentes condições de crescimento e orientar estudos fisiológicos em profundidade e geração de hipóteses.