Till innehåll på sidan

On thermodynamic and kinetic constraints in autotrophic metabolism

Tid: Fr 2021-11-26 kl 09.30

Plats: Air & Fire, Science for Life Laboratory, Tomtebodavägen 23, Solna

Språk: Engelska

Ämnesområde: Bioteknologi

Respondent: Markus Janasch , Systembiologi, Science for Life Laboratory, SciLifeLab, Hudson Group (Microbial Metabolic Engineering)

Opponent: Professor Bas Teusink, Vrije Universiteit Amsterdam

Handledare: Assoc. Professor Elton P. Hudson, Systembiologi, Science for Life Laboratory, SciLifeLab

Exportera till kalender

Abstract

Jorden har gått in i en ny geologisk epok, Antropocenen, definierad av mänsklighetens påverkan på miljön. Förbränningen av fossila resurser och det resulterande utsläppet av koldioxid driver klimatförändringar, en av mänsklighetens största utmaningar någonsin. För att säkerställa en hållbar framtid måste mänskligheten sträva till en cirkulär ekonomi, där utsläppt koldioxid återfångas och återförvandlas till resurser. Biologisk koldioxid-fixering, utförd av autotrofa mikroorganismer med förnybar energi, kan spela en viktig roll i denna processen, men kräver förbättring av kapacitet och effektivitet av den autotrofa metabolismen. Beräkningsmetoder inom systembiologi har använts i denna avhandling för att identifiera termodynamiska och kinetiska begränsningar för autotrofa mikroorganismer med calvincykeln som deras primära koldioxid-fixeringsväg, som kan bidra att möjliggöra konkreta förbättringar av metabolismen. Först jämfördes de olika metaboliska nätverken för den fotoautotrofa cyanobakterien Synechocystis och den heterotrofa bakterien E. coli, som resulterade i nätverksspecifika metabolitkoncentrationer och termodynamiska drivkrafter, vilket orsakade olika kapacitet för produktionen av industriellt relevanta kemikalier. För det andra utvecklades och analyserades en kinetisk metabolisk modell av calvincykeln i Synechocystis, som avslöjade faktorer som möjliggör en stabil funktion av metabolismen, såsom en låg koncentration av Ribulose 1,5-fosfat eller låga enzymsatureringsnivåer för många enzymer för deras substrat. Det visades dessutom att kontrollen över reaktionshastigheterna i calvincykeln var distribuerad, men CO2- fixeringshastigheten kan ökas med högre hastigheter genom enzymer som fruktos 1,6-bisfosfatas eller fosfoglyceratkinas. För det tredje testades experimentellt bestämda interaktioner mellan metaboliter och proteiner i flera autotrofa mikroorganismer för deras reglerande funktioner. För Synechocystis tolkades dessa interaktioner i det metaboliska sammanhanget genom att integrera dem i en utökad kinetisk modell, vilket avslöjade betydande förändringar i metabolomstabilitet när biokemisk reglering tillsattes till transketolas, ett enzym som är centralt för clavincykeln, men endast mindre effekter på kontroll över reaktionshastigheterna. Slutligen utvärderades för det fjärde det termodynamiska landskapet i Cupriavidus necator och dess naturliga kapacitet att producera bioplasten PHB. Olika substratanvändningsscenarier och strategier för att modifiera metabolismen simulerades med hjälp av en metabolisk modell, vilket avslöjade substratoberoende termodynamiska begränsningar och kontrasterande effekter av de modifierarna. Denna avhandling ger kunskap för ytterligare studier och riktade modifierar av metabolismen som syftar till att lindra begränsningar för den autotrofa metabolismen för att förbättra dess prestanda vid omvandling av CO2 till användbara resurser.

urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-304394