铜绿假单胞菌反硝化作用的网络生物学方法

铜绿假单胞菌 (Pseudomonas aeruginosa) 是γ-变形菌纲 (Gammaproteobacteria) 中代谢灵活的一员。在厌氧条件和硝酸盐存在下，铜绿假单胞菌可进行（完全）反硝化作用，即通过亚硝酸盐 ($NO_{2}$)、一氧化氮 ($NO$) 和氧化亚氮 ($N_{2}O$) 将硝酸盐异化还原为氮气的呼吸过程。本研究聚焦于利用铜绿假单胞菌代谢网络的数学模型，理解环境条件对细菌反硝化性能的影响。据我们所知，这是针对该细菌反硝化作用的第一个数学模型。对网络在氧气 ($O_{2}$)、硝酸盐 ($NO_{3}$) 和磷酸盐 ($PO_{4}$) 浓度变化下的长期行为分析表明，$PO_{4}$ 浓度强烈影响反硝化性能。该模型提供了关于铜绿假单胞菌在不同环境条件下反硝化活性的五项预测，这些预测已通过实验验证或得到相关生物文献的支持。本研究的一个动机是捕捉 $PO_{4}$ 对铜绿假单胞菌反硝化代谢网络的影响，以阐明在伊利湖（美国劳伦琴大湖区）等水生环境中季节性缺氧期间温室气体 $N_{2}O$ 积累的机制。