In this study, an in silico model for the saprophytic soil bacterium Pseudomonas putida KT2440 is constructed for the purpose of bettering understanding the strain for rational engineering of enhanced phenotypes in a number of biotechnological applications. Pseudomonas putida has been considered as the model organism for soil bacterium due to its versatility in stressful environments and has been identified for applications in a number of applications, including bioremediation, biocatalysts, and the production of a number of bioproducts such as bioplastics. With the construction of an in silico model, the design of engineered strains is simplified and greatly reduces the number of experimental hours in identifying targets for perturbation. By using metabolic flux analysis, changes in flux distributions from genetic and environmental alterations can be studied, for example, amplification or deletion of genes. With results of these analyses, in vivo experimental tests can be performed to verify the accuracy of the model as well as identify new information that can be incorporated into the model to improve accuracy. Thus with the completion of this genome scale model, strategies for strain improvement in the various biotechnological applications for the P. putida can be optimally designed.
본 연구에서는 Pseudomonas putida KT2440의 첫 게놈 수준의 대사모델을 구축하였다. 완성된 모델을 계기로 다양한 공학적 목적을 위한 이 균주의 특정 시스템에 대한 이해도를 높일 수 있게 되었다. 게놈 및 관련 파생 데이터는 무수히 많은 양의 데이터가 지속적으로 생산되게 하였으며, 이들의 분석은 특정 목적을 달성하기 위해 필요한 전반적인 그림을 제안해 준다. 대사흐름분석은 시스템 내의 대사물질들의 질량수지를 연구하는 데에 있어 매우 강력한 도구이다. 이 정보를 이용하여 얻고자하는 생산 쪽으로 세포내 흐름의 방향을 재조정하는 전략 등을 이행할 수 있다. 더 나아가 네트워크의 반응들을 연구함으로써 새로운 아이디어와 통찰력을 얻을 수 있다.
이 논문에서 제시한 인실리코 모델은 현재 1001개의 반응식과 997 개의 대사물질로 이루어져 있으며, 이는 중앙 대사와 외부 물질들을 분해하는 제 2차 대사 네트워크도 포함하고 있다. 유전자 결실 시뮬레이션을 해본 결과 200 개의 반응식(20%)들은 포도당에서 성장하는 세포에 있어서 반드시 필요한 필수 반응식으로 판명되었으며, 761 개의 반응식은 그렇지 않았다. 나머지 36 개의 반응식(4%)은 세포 성장에 다양한 정도의 영향을 주었다. 이와 더불어 이 모델은 해당 균주가 당과 유기산 이외의 다양한 탄소원들을 이용하는지 여부를 알아보기 위한 시뮬레이션에 적용할 수 있다. 가령 이 모델은 세포 성장을 위해 방향족 화합물인 벤조산염을 사용하는 것으로 나타났다. 앞으로 지속적인 연구를 통하여P. putida의 인실리코 모델은 균주개량을 위한 유용한 도구로 사용될 것이다.
