Coupling metabolic footprinting and flux balance analysis to predict how single gene knockouts perturb microbial metabolism

• Author(s): Correia, Gonçalo dos Santos, 1989-
• Date: 2012
• Persistent ID: http://hdl.handle.net/10451/7524
• Origin: Repositório da Universidade de Lisboa
• Subject(s): Bioinformática; Microbiologia; Envelhecimento; Teses de mestrado - 2012
• Document Type: Master thesis
• Language: English
• Advisor(s): Weinkove, David; Paulo, Octávio, 1963-
• Contributor(s): Repositório da Universidade de Lisboa

Description

Tese de mestrado. Biologia (Bioinformática e Biologia Computacional). Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2012

The model organisms Caenorhabditis elegans and E. coli form one of the simplest gut microbe host interaction models. Interventions in the microbe that increase the host longevity including inhibition of folate synthesis have been reported previously. To find novel single gene knockouts with an effect on lifespan, a screen of the Keio collection of E. coli was undertaken, and some of the genes found are directly involved in metabolism. The next step in those specific cases is to understand how these mutations perturb metabolism systematically, so that hypotheses can be generated. For that, I employed dynamic Flux Balance Analysis (dFBA), a constraint-based modeling technique capable of simulating the dynamics of metabolism in a batch culture and making predictions about changes in intracellular flux distribution. Since the specificities of the C. elegans lifespan experiments demand us to culture microbes in conditions differing from most of the published literature on E. coli physiology, novel data must be acquired to characterize and make dFBA simulations as realistic as possible. To do this exchange fluxes were measured using quantitative H NMR Time-Resolved Metabolic Footprinting. Furthermore, I also investigate the combination of TReF and dFBA as a tool in microbial metabolism studies. These approaches were tested by comparing wild type E. coli with one of the knockout strains found, ΔmetL, a knockout of the metL gene which encodes a byfunctional enzyme involved in aspartate and threonine metabolism. I found that the strain exhibits a slower growth rate than the wild type. Model simulation results revealed that reduced homoserine and methionine synthesis, as well as impaired sulfur and folate metabolism are the main effects of this knockout and the reasons for the growth deficiency. These results indicate that there are common mechanisms of the lifespan extension between ΔmetL and inhibition of folate biosynthesis and that the flux balance analysis/metabolic footprinting approach can help us understand the nature of these mechanisms.

Os organismos modelo Caenorhabditis elegans e E. coli formam um dos modelos mais simples de interacções entre micróbio do tracto digestivo e hospedeiro. Intervenções no micróbio capazes de aumentar a longevidade do hospedeiro, incluindo inibição de síntese de folatos, foram reportadas previamente. Para encontrar novas delecções génicas do micróbio capazes de aumentar a longevidade do hospedeiro, a colecção Keio de deleções génicas de E. coli foi rastreada. Alguns dos genes encontrados participam em processos metabólicos, e nesses casos, o próximpo passo é perceber como as deleções perturbam o metabolismo sistémicamente, para gerar hipóteses. Para isso, utilizo dynamic Flux Balance Analysis (dFBA), uma técnica de modelação metabólica capaz de fazer previsões sobre alterações na distribuição intracelular de fluxos. As especificidades das experiências de tempo de vida em C.elegans obrigam-nos a trabalhar em condições diferentes das usadas na maioria da literatura publicada em fisiologia de E. coli, e para dar o máximo realismo às simulações de dFBA novos dados foram adquiridos, utilizando H NMR Time-Resolved Metabolic Footprinting para medir fluxos de troca de metabolitos entre microorganismo e meio de cultura. A combinação de TReF e dFBA como ferramenta de estudo do metabolism microbiano é também investigada. Estas abordagens foram testadas ao comparar E. coli wild-type com uma das estirpes encontradas no rastreio, ΔmetL, knockout do gene metL, que codifica um enzima bifunctional participante no metabolismo de aspartato e treonina, e que exibe uma taxa de crescimento reduzida comparativamente ao wild-type. Os resultados das simulações revelaram que os principais efeitos da deleção deste gene, e as razões para a menor taxa de crescimento observada, são a produção reduzida de homoserina e metionina e os efeitos que provoca no metabolismo de folatos e enxofre. Estes resultados indicam que há mecanismos comuns na extensão da longevidade causada por esta deleção e inibição de síntese de folatos, e que a combinação metabolic footprinting/flux balance analysis pode ajudar-nos a compreender a natureza desses mecanismos.