Understanding and computational design of genetic circuits of metabolic networks

合成生物学 代谢工程 代谢网络 生物 计算生物学 转录因子 抄写(语言学) 代谢途径 焊剂(冶金) 操纵子 基因 大肠杆菌 计算机科学 生物化学 化学 语言学 哲学 有机化学
作者
Alicia Berkvens,Luis Salinas,Maaike Remeijer,Robert Planqué,Bas Teusink,Frank J. Bruggeman
出处
期刊:Essays in Biochemistry [Portland Press]
被引量:1
标识
DOI:10.1042/ebc20230045
摘要

Abstract The expression of metabolic proteins is controlled by genetic circuits, matching metabolic demands and changing environmental conditions. Ideally, this regulation brings about a competitive level of metabolic fitness. Understanding how cells can achieve a robust (close-to-optimal) functioning of metabolism by appropriate control of gene expression aids synthetic biology by providing design criteria of synthetic circuits for biotechnological purposes. It also extends our understanding of the designs of genetic circuitry found in nature such as metabolite control of transcription factor activity, promoter architectures and transcription factor dependencies, and operon composition (in bacteria). Here, we review, explain and illustrate an approach that allows for the inference and design of genetic circuitry that steers metabolic networks to achieve a maximal flux per unit invested protein across dynamic conditions. We discuss how this approach and its understanding can be used to rationalize Escherichia coli’s strategy to regulate the expression of its ribosomes and infer the design of circuitry controlling gene expression of amino-acid biosynthesis enzymes. The inferred regulation indeed resembles E. coli’s circuits, suggesting that these have evolved to maximize amino-acid production fluxes per unit invested protein. We end by an outlook of the use of this approach in metabolic engineering applications.
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