Zymomonas mobilis potenciāls svarīgāko bioķīmisko savienojumu ražošanā : stehiometriskā analīze

Projekta nosaukums : Zymomonas mobilis potenciāls svarīgāko bioķīmisko savienojumu ražošanā: stehiometriskā analīze 

Projekta nosaukums (angliski): Production potential of top building block chemicals by Zymomonas mobilis: stoichiometric analysis

Projekta līguma numurs: 1.1.1.2/VIAA/2/18/278
Projekta sadarbības partneri : nav sadarbības partneru
Projekta īstenošanas termiņš: 01.01.2019 līdz 31.12.2021
Projekta kopējais finansējums, LU daļa: 6690.31 Eur

Projekta mērķis: Izstrādāt Zymomonas mobilis in silico celmu projektējumu sarakstus svarīgu bioķīmisko savienojumu ražošanai, izmantojot stehiometriskās modelēšanas un strukturālās analīzes metodes.

Projekta rezultāti :

Projekta ietvaros 01.01.2019 – 31.03.2019

Tika izpētītas potenciālās iespējas pielietot mirkoorganismu Zymomonas mobilis biodegvielas un citu augstas vērtības bioproduktu ražošanai. Tika analizēta zinātniskā literatūra un apkopota informācija par stehiometriskā modelī ievadāmiem datiem, kā arī tika apskatīta aminoskābju bioķīmisko ceļu struktūra modelī priekš biomasas vienādojuma matemātiskās interpretācijas. Tika uzsākta stehiometriskā modeļa bioķimisko ceļu struktūras validācija Tiek izstrādāta publikācija : “Improvement of acetaldehyde production in Zymomonas mobilis by engineering of its aerobic metabolism” un “VizAn: visualization of stoichiometric flux analysis results on network layout in Python”.

22.02.2019 tika prezentēts referāts ar nosaukumu “Biomasas reakcijas vienādojums un tā nozīme stehiometriskajā modelēšanā”, kā arī tika apmeklēti kursi “Tools for Systems biology modeling and data exchange: COPASI, CellNetAnalyzer, SABIO-RK, FAIRDOMHub/SEEK”, kas notika no 17 – 20 martam, Heidelbergā, Vācijā.

Projekta ietvaros 01.04.2019 – 30.06.2019
Tika izstrādāta un pārbaudīta Z. Mobilis genoma rekonstrukcija bioķīmisko ceļu strukturālai analīzei, kā arī sagatavota optimizācijas uzdevumu realizācijai.

Z. mobilis genoma mēroga Genoma mēroga rekonstrukcijas pirmās optimizācijas apsarigīna, alanīna, arginīns, histidīns, lisīns aminoskābju potenciāla ražošanas noteikšanai. Rekonstrukcijas dati tika papildināšana kā bioloģisko datu tika integrēti stehiometriskā modelī.

Tika strādāts pie publikācija “VizAn: visualization of stoichiometric flux analysis results on network layout in Python” vizualizācijas funkcionalitātes papildinot to ar iespēju pieslēgties metabolisko tīklu datubāzei. 

Tika papildināta publikācija : “Improvement of acetaldehyde production in Zymomonas mobilis by engineering of its aerobic metabolism”. Ar precizētiem biomasas vienādojuma datiem, kā arī revalidēti analīžu rezultāti.

Projekta ietvaros 01.07.2019 – 30.09.2019 

Tika iesniegta publikācija : “Improvement of acetaldehyde production in Zymomonas mobilis by engineering of its aerobic metabolism” žurnālā Frontiers in Microbiology, section Microbiotechnology, Ecotoxicology and Bioremediation. .Tika strādāts pie publikācija “VizAn: visualization of stoichiometric flux analysis results on network layout in Python” vizualizācijas funkcionalitātes papildinot to ar iespēju pieslēgties metabolisko tīklu datubāzei. Piedalījos apmācības kursos BIOMODELLING SPRING RIGA 2019 LU dabas mājā par daudz dimensionālu omics datu integrāciju steiometriskajos modeļos Starptautiski zinātniskā konferencē "Metabolic Pathway Analysis 2019" LU dabas mājā ar stenda referātu : "Stoichiometric modeling for novel engineering strategies of microbial folate production.

Projekta ietvaros 01.10.2019 – 31.12.2019

Publicēta “Improvement of acetaldehyde production in Zymomonas mobilis by engineering of its aerobic metabolism” žurnālā FrontiersFront. Microbiol., 14 Novemberī 2019 | doi.org/10.3389/fmicb.2019.02533 (https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fmicb.2019.02533/full) (pielikumā apstiprinātā publikācija PDF formātā) Piedalījos starptautiskā zinātniskā konferencē " 20th International conference of systems biology 2019", kas notika no 01 - 05 novembrim 2019. gadam. Uzstājos ar stenda referātu "Automated search of a minimal set of adjustable parameters optimizing constrained kinetic model of metabolism", kā arī tika iepazītas jaunākās tehnoloģijas sistēmbioloģijā un sintētiskajā bioloģijā. Tika veikta mobilitāte ķīnā Wuhan universitātē pie profesora Shihui Yang grupas. vizītes laikā notika 2 semināri, kuru laikā tika iepazīstināti vietējie akadēmiskie un industrijas pārstāvji ar stehiometiskās modelēšanas iespējām biotehnoloģijā, kur metodes piemērs tika izmantots Z. mobilis organisma publicētie modelēšanas sasniegumi. Mobilitāte noritēja no 05 - 10. novembrim 2019 gadam. Starptautiski zinātniskā konferencē "Metabolic Pathway Analysis 2019" ar stenda referātu : "Stoichiometric modeling for novel engineering strategies of microbial folate production (Pielikumā atskaite par abstract book un stenda referāta digitālo kopiju). Autori A. PENTJUSS , KALNENIEKS U., STALIDZANS E., LIEPINS J. (1.1.1.2/VIAA/1/16/067).

Projekta ietvaros 01.01.2020 – 31.03.2020

Perioda posmā no 01.01.2020 līdz 31.03.2020 tika veikta Genoma mēroga izstrādātās rekonstrukcijas validācija ar autora iepriekšpublicētiem rezultātiem Pentjuss et al 2013 (centrālās vielmaiņas līmenī), kur tika validāta Etanola, Acetaldehīda, dzintarskābes (sukcināta), piruvāta un citu nozīmīgu produktu vielmaiņas potenciālā biokonversija normalizējot pret kopējo oglekļa atoma daudzumu. Visinteresantākais gadījums in silico vidē ir glikozes konversija dzintarskābē, kur minētais izejmateriāls (glikoze) tiek konvertēta dzintarskābē līdz pat 113 % attiecībā normalizējot pret oglekļa atoma skaitu bioķīmiskos elementos. To iespējams ir panākt papildus fermentācijas vidē pievienojot ogļskābo gāzi, kā papildus oglekļa avotu. In silico sasniegumi tika prezentēti 78. Lu starptautiskā zinātniskā konferencē mikrobioloģijas un biotehnoloģijas sekcijā. 22.02.2020 gadā, Rīgā, LU Dabas mājā.

Projekta ietvaros 01.04.2020 – 30.06.2020 

Perioda posmā no 01.04.2020 līdz 31.06.2020. Tika atrasta jaunāka Z. mobilis mikroorganisma genoma mēroga rekonstrukcija (doi.org/10.3389/fmicb.2019.02533), kurā ir izlaboti nepareizi gēnu identifikatori, papildināti gēnu saraksti, kā arī papildus integrēti kvantitatīvie omics datu mērījumi. Notika projektā uzlabotās rekonstrukcijas un jaunās publicētās rekonstrukcijas reakciju un metabolītu un ar tiem papildus saistītās informācijas salīdzināšana, apvienošana. Tika iesniegta publikācija "IMFLer – a client-side Interactive Metabolic Flux Analyser and Visualiser" starptautiskā zinātniskā žurnālā SoftwareX, kurš indeksējas SCOPUS starptautiskā zinātniskā datu bāze.

Projekta ietvaros 01.07.2020 - 30.09.2020 

Laika posmā no 01.07.2020 līdz 18.08.2020 pēcdoktorants atradās ikgadējā atvaļinājumā. Jaunā publicētā genoma mēroga rekonstrukcija tika salīdzināta ar pēcdoktoranta izstrādāto un tika secināts, ka publicētā rekonstrukcijā ir vairāk pieejama jaunākā zinātniskā informācija par mikroorganismu Z. mobilis, bet modeļa spēja nodrošināt augšanu tikai uz rauga ekstrakta vidi rada šaubas par rekonstrukcijas strukturālo koretumu. Līdz ar to modelis tiek validēts ar metaboliskās modelēšanas rīku ScrumPy, kur enzīmu apakškopas neatbilstības metodika tiek pielietota, lai noskaidrotui vai pašā struktūrā nav ieviesta kļūda.

Projekta ietvaros 01.10.2020 - 31.12.2020 

Jaunā publicētā genoma mēroga rekonstrukcija tika pakļauta validācijas procesa dažiem posmiem, kā rezultātā tika pārbaudīta modeļa struktūra. Rezultātā tika noskaidrots, ka pieejamais modelis neiekļauj visu Zymomonas mobilis ZM4 celma informāciju un spējīgs ir darboties tikai tad, ja organismu baro ar rauga ekstraktu. Tika pārbaudīta modeļa spēja augt citā barotnē, kur modelis daļēji bija spējīgs nodrošināt augšanas apstākļus.

WP3 darbība ir uzsākta 01.12.2020 un šajā periodā tika ievākta informācija par Flux omics datiem. Modelis tika gatavots šādu datu integrācijā.

Projekta ietvaros 01.01.2021.–31.03.2021.

Laika posmā no 04.01.2021–31.03.2021 pēcdoktorants atradās attālinātajā komandējumā Oxford Brooks Univeristātē dabaszinību fakultātē pie Dr. Mark Poolman Cell Systems Modeling grupas. Tika veikta dalība LU 79. starptautiskās zinātniskās konferences ietvaros, kur pēcdoktorants kopā ar savu zinātnisko konsultantu Prof. Uldi Kalnenieku prezentēja referātu par tēmu: "Kādas fizioloģiskās atziņas parāda Zymomonas mobils ZM4 “fluxomics” dati genoma mēroga metaboliskajā modelī.". Par šo pašu tēmu tika izveidots paplašinātais abstrakta raksts, kurš tika publicēts Environmental and Experimental Biology žurnālā. Tika nolemts izstrādāt transcriptoma datu apstrādes, optimizācijas un analīzes rīku, ko pielietot Z. mobilis genoma mēroga modeļa apstrādes vajadzībām.

Projekta  ietvaros 01.04.2021 - 30.06.2021.

Laika posmā no 01.04.2021 - 05.06.2021 Pēcdoktorants atradās attālinātā komandējumā Oxford Brooks Universitātē dabas zinību fakultātē pie Dr. Mark Poolman Cell Systems Modeling Grupas. Tika turpināts apmācību nākamais posms, kura laikā pēcdoktorants apguva zināšanas masas un enerģijas konservācijas perturbāciju noteikšanai multi - nodalījumu genoma mēroga metaboliskos modeļos (21.03 - 15.04). Tika iegūts jaunais izejas modelis, kurš ir balstīts uz iepriekš apkopotām dažādām gēnu anotācijām (https://metacyc.org/organism-summary?object=GCF_004168305 genome).

(16.04 - 05.05.2020) Pēcdoktorants iemācījās oglekļa sadalījuma analīzes metodes, omikas datu integrāciju metaboliskos modeļos. Ar Python programmēšanas valodu veikt modeļa optimizācijas rezultātu statistisko analīzi un izskaidrot bioloģiskos procesus genoma mēroga ietekmē. Tika turpināts darbs pie transcriptoma datu apstrādes, optimizācijas un analīzes rīka izveides Tika apkopoti vairāki iepriekš publicētie transkriptoma datu analīzes un optimizācijas rīki, tika integrēti mūsdienīgā rīkā IgemRNA un pielāgots Cobra Toolbox 3.0 pielietošanai, kā arī veikta rīka validācija uz dažādiem transkriptomicas brīvpieejas datu masīviem, lai precizētu rīka darbības spējas. Publikācija atrodas 90 % gatavības stadijā.

Projekta  ietvaros 01.07.2021 - 30.09.2021

Laika posmā no 01.04.2021 - 05.06.2021 01.07 - 25.08.2021 Pēcdoktorants atradās atvaļinājumā.

No 26.08 - 30.09.2021 Pēcdoktorants strādāja ar ScrumPy modelēšanas valodu, lai veiktu metaboliskās optimizācijas stehiometriskajā modelī. Tika apstiprināta publikācija: "IMFLer: A Web Application for Interactive Metabolic Flux Analysis and Visualization”, žurnālā Journal Computational Biology., 23. augustā 2021 | 10.1089/cmb.2021.0056.

Papildus tika iesniegta publikācija "Integrative Gene Expression and Metabolic Analysis tool IgemRNA" un atrodas recenzijā žurnālā PLOS Computational Biology. Apstiprinājums par iesniegšanu un recenzijas procesa uzsākšanu ir atnācis 16.09.2021.

Projekta ietvaros 01.10.2021 - 31.12.2021

01.12 - 31.12.2021 - Pēcdoktorants atradās atvaļinājumā. 15.10 - 15.11 - Pēcdoktorants atradās virtuālā mobilitātē Laboratory of Precision and Nanomedicine, Institute of Biomedicine and Translational Medicine, University of Tartu, Tartu, 50411 Tartu, Igaunijā, kur izstrādāja manuskripta "Integrative Gene Expression and Metabolic Analysis tool IgemRNA" melnrakstu. Tika izstrādāts IgemRNA rīks transkriptomikas datu integrācijai vielmaiņas modeļos, apvienojot vairākus agrāk zināmus datu pirms un/vai pēcapstrādes algoritmus, datu optimizāciju metodes, kā arī tika izveidoti jauni un unikāli iebūvētie datu analīzes algoritmi, ar kuru palīdzību var automatizēti apstrādāt vielmaiņas modeļu optimizācijas datus. Sakarā ar Covid 19 ārkārtas stāvokļa izsludinātiem ierobežojumiem un izsludinātiem Latvijas Universitātes laboratorijas izmantošanas papildus noteikumiem, netika paspēts veikt RNAseq eksperimenti Z. mobilis mikroorganismam dažādu augstvērtīgo un bioķīmisko būvbloku uzlabotās ražošanas biotehnoloģiksā potenciāla analīzei. Tā vietā postdoks Izstrādāja IgemRNA datorrīku, lai nākamajās zinātniskajās aktivitātēs varētu uzreiz veikt RNS datu analīzi apvienojumā ar genoma mēroga vielmaiņas modelēšanu. Tika strādāts pie manuskripta "Conventional and bio technologies of nitrogen return to food systems" teksta un tika iesniegts žurnālā Resources, Conservation & Recycling.