Yeast optimizes metal utilization based on metabolic network and enzyme kinetics

水溶液中的金属离子 酵母 代谢途径 新陈代谢 化学 生物化学 辅因子 酿酒酵母 金属 焊剂(冶金) 酶动力学 动力学 离子 生物 活动站点 物理 有机化学 量子力学
作者
Yu Chen,Feiran Li,Jiwei Mao,Yun Chen,Jens Nielsen
出处
期刊:Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America [National Academy of Sciences]
卷期号:118 (12) 被引量:34
标识
DOI:10.1073/pnas.2020154118
摘要

Metal ions are vital to metabolism, as they can act as cofactors on enzymes and thus modulate individual enzymatic reactions. Although many enzymes have been reported to interact with metal ions, the quantitative relationships between metal ions and metabolism are lacking. Here, we reconstructed a genome-scale metabolic model of the yeast Saccharomyces cerevisiae to account for proteome constraints and enzyme cofactors such as metal ions, named CofactorYeast. The model is able to estimate abundances of metal ions binding on enzymes in cells under various conditions, which are comparable to measured metal ion contents in biomass. In addition, the model predicts distinct metabolic flux distributions in response to reduced levels of various metal ions in the medium. Specifically, the model reproduces changes upon iron deficiency in metabolic and gene expression levels, which could be interpreted by optimization principles (i.e., yeast optimizes iron utilization based on metabolic network and enzyme kinetics rather than preferentially targeting iron to specific enzymes or pathways). At last, we show the potential of using the model for understanding cell factories that harbor heterologous iron-containing enzymes to synthesize high-value compounds such as p-coumaric acid. Overall, the model demonstrates the dependence of enzymes on metal ions and links metal ions to metabolism on a genome scale.
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