Çevresel öneme sahip mikrobiyal toplulukların kısıt tabanlı dinamik metabolik modellerinin oluşturulması

Abstract

Biyolojik arıtma günümüzde çevre kirliliğini azaltmakta sıklıkla başvurulan bir yaklaşımdır. Endüstriyel atık sulardaki ağır metallerin indirgenmesi gibi amaçlarla biyoreaktörler kullanılmaktadır. Bu tip çalışmalarda kullanılan biyoreaktörlerin performansı, içeriğindeki mikrobiyal topluluğun kompozisyonu, metabolizmaları ve birbirleriyle olan etkileşimleri ile ilgilidir. Organizmaların kimyasal, biyolojik ve moleküler etkileşimlerini bütüncül şekilde ele almak ve yapıları hakkında fikir edinmek amacıyla genom ölçekli metabolik modeller kurulmakta ve bunlar aracılığıyla bilgisayar ortamında simülasyonlar gerçekleştirilebilmektedir. Çok sayıda farklı tür içerebilen çevresel mikrobiyal toplulukların davranışlarının uzun zaman ve maliyet gerektiren deneysel çalışmalarla belirlenmesi yerine, topluluk üyelerinin entegre metabolik modelleri kurularak farklı koşullardaki etkileşimleri modellenebilmekte ve biyoreaktörlerin optimum şekilde tasarlanması için veri üretilebilmesi sağlanmaktadır. Bu çalışma biyorektör mikrobiyal topluluklarında sıklıkla karşılaşılan Geobacter sulfurreducens, Methanosarcina barkeri, Shewanella oneidensis ve Pseudomonas aeruginosa türlerinin, bütünleşik metabolik modelinin kurulması ve değişen ortam koşullarının büyüme performanslarına etkisinin Dinamik Akı Denge Analizi (dFBA) metodu yardımıyla simüle edilmesi üzerinedir. Çalışmada her zaman noktasında, organizmalar için akı kısıtlamaları, belirlediğimiz substrat konsantrasyonuna göre değişmiş ve bu değişiklikler büyüme hızını dolayısıyla hücre konsantrasyonlarını etkilemiştir. Tüm türlerin hücre konsantrasyonları artış göstermiştir.

Biological treatment is a practical approach to reduce environmental pollution. Bioreactors are used for purposes such as the reduction of heavy metals in wastewater. The microbial metabolism and contact with each other used in such studies. Genome-scale metabolic models are established in order to take a holistic view of the chemical, biological and molecular interactions of organisms and to learn about their structures, and computer simulations can be performed using these models. Instead of determining the behavior of environmental microbial communities, which can contain a large number of different species, with long and costly experimental studies, integrated metabolic models of the community members can be constructed. Modeling their interactions in different conditions can produce data for the optimum design of bioreactors. This study is about the construction of an integrated metabolic model of Geobacter sulfurreducens, Methanosarcina barkeri, Shewanella oneidensis and Pseudomonas aeruginosa species, which are frequently encountered in bioreactor microbial communities, and simulation of the effects of changing environmental conditions on growth performance with the help of Dynamic Flux Balance Analysis (dFBA) method. At each time point of the simulations, the flux constraints for organisms are changed according to the substrate concentration we determined, and these changes affected the growth rate and thus the cell concentrations. Cell concentrations of all species are increased.