Reconstruction and validation of genome-scale metabolicmodel for Gluconacetobacter diazotrophicus; a plant growthpromoting bacterium

Abstract

Gluconacetobacter diazotrophicus; gram negatif, aside toleranslı, zorunlu aerob ve tüm genomu dizilenmiş bir bakteridir. Azot fiksleme, bitki büyümesine yardımcı etkenler üretme, çinko ve fosfor çözünürlüğünü sağlama ve bitkilerin patojenlere karşı dirençlerini arttırma gibi önemli zirai özellikleri vardır. Ayrıca inşaat ve ilaç endüstrisinde antiseptik ve şelat oluşturucu olarak da kullanılan bir karboksil asit olan glukonik asit üretmektedir. G. diazotrophicus endofit bir bakteridir; yani konak bitkisinin içinde, ona zarar vermeden yaşamaktadır. Yüksek şeker içeren ve monokot bir bitki olan şeker kamışı, bu bakterinin doğal konağıdır. Azot bağlayıcı ve bitkilerin büyümesine yardımcı karakterlerini inceleyen birçok çalışma olmasına rağmen, bunlardan sorumlu metabolik yolaklar hakkında bilgi oldukça yetersiz veya başlangıç aşamasındadır. Sistem biyolojisiyaklaşımını kullanarak G. diazotrophicus bakterisinin genom ölçekli metabolik modelinin oluşturulması, modele akı denge analizinin uygulanması, hem bakteri metabolizmasındaki karbon akısının incelenmesine hem de bu metabolizmanın genel çalışma prensiplerinin ve çevresel faktörlerden nasıl etkilendiğinin anlaşılmasına yardım edecektir. Ayrıca böyle bir metabolik model, metabolizma mühendisliği için organizmanın endüstriyel açıdan faydalı olmasını sağlayacak hedef yolakların bulunması için de yararlı olacaktır. Bu bilgiler ışığında bu çalışmada, genom dizisinden yola çıkarak 1754 reaksiyon, 1629 metabolit ve 848 genden oluşan bir metabolik model oluşturulmuştur.

Gluconacetobacter diazotrophicus is an acid tolerant, gram negative and obligate aerobe bacterium whose genome is fully sequenced. It has important agricultural value such as nitrogen fixation, producing plant promoting enhancers, increasing solubility of zinc and phosphorus and increasing plant's resistance against certain bacteria or fungi. It also produces industrially and pharmaceutically valuable carboxyl acid gluconic acid which is used as antiseptic and chelating agents. Unlike other diazotrophs, G. diazotrophicus is an endophyte bacterium living within the plant without causing any harm. Its natural host is sugarcane: a monocot plant with high sugar content. There are studies about plant growth promoting and nitrogen fixation characteristics but the underlying metabolic pathways arenot fully understood. Adopting a system biology approach; reconstructing the genome-scale metabolic model (GSMM) for the Gluconacetobacter diazotrophicus and applying Flux Balance Analysis (FBA), can not only help us to find the carbon flux of its metabolism but also to elucidate how it works and responds to the environmental factors. Consequently, the analysis of the GSMM can be also used for determining the target pathways for metabolicengineering considering utilitarian exploitation of the organism. In the light of the above, a genome-scale metabolic model for G. diazotrophicus consisting of 1754 reactions, 1629 metabolites and 848 genes was constructed.