Microbial systems have gained increased importance in biotechnology as platforms for a wide range of applications, including but not limited to biomedical applications, cell factories, and bioremediation. To date, bacterial systems have led the way due to their simplicity of their biological network compared to eukaryotic systems. Furthermore, the wide range of genetic manipulation tools and fast generation times allows for a rapid turnover between hypothesis and experimental validation. However, because of their simplicity, bacterial hosts are often restricted to a specified range of environmental stress. Eukaryotic systems, on the other hand, have a more complex biological network that allows them to adapt more readily to higher levels of stress compared to bacterial systems. Here the physiology of three yeast species, Pichia pastoris, Schizosaccharomyces pombe, and Kluyveromyces marxianus, are investigated through their metabolic network and analyzed using the reconstructed metabolic model of the respective species. In P. pastoris, the physiology of the yeast while producing heterologous proteins was investigated. S. pombe was validated extensively using the single gene knockout library and refined iteratively, resulting in an increased accuracy in predicting mutant phenotype. Finally, K. marxianus physiology was explored to develop systems metabolic engineering strategies for achieving high levels of an industrially important compound, 3-hydroxypropionate. Furthermore, three different versions of the K. marxianus genome-scale metabolic model with changes to charge and mass balance for the reactions to represent the metabolism at three different pH levels.
미생물 시스템은 바이오의학, 화학물질 생산 및 환경개선 등 다양한 생명공학 분야에의 적용 가능성 때문에 지속적인 관심을 받아왔다. 미생물 중에서도 원핵생물인 박테리아는 진핵생물들에 비해서 생물학적으로 단순한 구조 및 시스템을 가지고 있어서, 다양한 응용분야에서 유용하게 사용되어 왔다. 또한 박테리아의 유전자를 정교하게 조작하는 기술들이 많이 확립되었으며, 이들은 빨리 성장하기에, 가설로부터 실험적 증명까지 도달하는 시간이 진핵생물들에 비해 현저히 빠르다. 그러나 박테리아의 단순함은 역으로 생물학적인 한계(가령 환경 스트레스에의 취약함)에 쉽게 보이는 단점이 있다. 반면 진핵생물은 원핵생물에 비하여 더욱 정교하고 복잡한 생물 시스템을 가지고 있어서, 생물학적 역량이 그만큼 뛰어나고, 다양한 환경적 스트레스에 더욱 잘 적응한다. 이러한 차이를 고려하여, 이 논문에서는 효모 종인 Pichia pastoris, Schizosaccharomyces pombe, Kluyveromyces marxianus의 생리를 이들 각각의 대사 네트워크의 모델링 및 시뮬레이션을 통하여 조사하였다. P. pastoris의 경우에는 외래 단백질(heterologous protein)을 생산할 시의 생리 상태에 초점을 맞추었다. S. pombe는 단일 유전자 결실 라이브러리의 정보를 이용하여, 이 균주의 대사 네트워크를 철저히 그리고 반복적으로 검증하였다. 결과적으로 유전자 결실 시의 생리상태를 더욱 정확하게 예측하는 대사 네트워크를 구축할 수 있었다. 마지막으로 K. marxianus의 대사 네트워크를 구축하여, 산업적으로 중요한 화합물인 3-hydroxypropionate를 고농도로 생산하기 위한 시스템 대사공학 전략을 수립하는 데에 응용하였다. K. marxianus의 경우, 세 개의 다른 pH 조건에서의 대사를 정확히 모사하기 위하여, 각각의 조건을 반영하기 위한 세 개의 대사 네트워크 버전을 구축하였다.
