Systems biology approach to investigate the effect of nitrogen and phosphate metabolism on actinorhodin production by streptomyces coelicolor using genome scale metabolic models

Abstract

Streptomyces türleri gram pozitif, filamentli ve genomları yüksek G+C oranlarına sahip toprak bakterileridir. Oldukça karmaşık regülasyon sistemlerine sahip olan bu bakterilerin, primer ve sekonder metabolizma arasındaki geçişi sağlayan metabolik anahtarlara sahip olduğu da bilinmektedir. Medikal ve ticari önemi olan metabolitler, kesikli büyüme sisteminde, kültürün durağan faza girdiği zaman başlayan sekonder metabolizma sırasında üretilirler. Streptomyces türlerinin karmaşık regülasyon ağları, sistem biyolojisinin farklı uygulamaları (genom ölçekli metabolik modeller, omik teknolojileri vb.) kullanılarak basitleştirilebilir ve sonuçlar değerli metabolitlerin üretim seviyelerini artırmak için farklı yollar ortaya koyabilir. Bu çalışmada, S. coelicolor genom-ölçekli metabolik ağ modeli, Gene Expression Omnibus veri bankasından elde edilmiş olan üç farklı transkriptom veri seti (ΔargR mutantı, ΔphoP mutantı ve yaban suşun zamana bağlı verileri) ile birlikte kullanılmıştır. Dinamik veriler, metabolizmanın hem primer hem de sekonder fazlarını içermektedir. Transkriptom verilerinin istatistiksel sonuçları, haberci metabolit ve haberci yolak analizleri için kullanılmıştır. Bu analizler, fosfat ve nitrojen metabolizmalarında düzensizlik yaratan mutasyonlara bağlı olarak belirgin koordineli transkripsiyonel değişimler gösteren metabolitlerin (ya da yolakların) belirlenmesi için kullanılmaktadır. Ayrıca, farmasötik önemi bulunan aktinorhodin üretimi, iki delesyon suşunda, enzim kodlayan genlerin transkripsiyonel düzeyde sınırlandığı metabolik akılar hesaplanarak modellenmiştir. Bu çalışmanın sonuçları, Streptomyces'lerde primer ve sekonder metabolizmalar arası geçişi, yolak ve akı aktiviteleriyle ilgili olarak bilgisayara dayalı analizlerle aydınlatmak suretiyle, değerli metabolitlerin üretim seviyelerini arttırmak için fosfat ve azot metabolizmalarının rolününün daha iyi anlaşılmasını sağlayacaktır.

Streptomyces species are soil-dwelling, gram positive, filamentous bacteria with a high G+C content genome. They have very complex regulatory systems and also metabolic switches that change the metabolism between primary and secondary metabolism. Medically and commercially important compounds are produced during the secondary metabolism, which is often observed when the culture has entered the stationary phase in a batch culture growth system. Complex regulatory network of Streptomyces species can be simplified with different approaches of systems biology (genome scale metabolic models, omics technologies etc.) and the results can suggest different ways of increasing production levels of valuable metabolites. In this study, a genome scale metabolic network of S. coelicolor was integrated with three different transcriptome data sets from the public Gene Expression Omnibus database: time dependent data of ΔphoP mutant, ΔargR mutant and wild type strain. The dynamic data spanned both primary and secondary phases of the metabolism. Statistical results of transcriptome data were used for reporter metabolite analysis and reporter pathway analysis, which identify the metabolites (or pathways) with a significant coordinated transcriptional change in response to gene deletion perturbation in phosphate and nitrogen metabolisms. Further, the production of actinorhodin, a pharmaceutically important compound, was modeled in the two deletion strains by calculating the metabolic fluxes subject to transcriptional level constraints on enzyme-coding genes. The metabolic switch from primary to secondary metabolism in Streptomyces was highlighted in terms of the activity of pathways and fluxes as a result of the computational analyses in this work, leading to a better understanding of the role of phosphate and nitrogen metabolisms in increasing production levels of valuable metabolites.