重新思考细菌糖代谢的选择行为

Ramkrishna、Kompala和Tsao提出了微生物生长的控制论模型,其中细胞根据模拟理性决策的匹配规则分配酶合成资源。匹配规则后来被证明在关于潜在投资回报结构的一般假设下是最优的,然而细胞最大化的具体目标以及约束该选择的限制从未被写成一个明确的的经济决策。在此,我们提供了缺失的决策,将控制论酶合成控制重新构建为微观经济理论中的消费者选择问题:细胞在竞争的分解代谢酶之间分配有限的蛋白质组预算,作为一个线性规划(LP),在蛋白质组预算约束下最大化线性生长效用。由于效用是线性的,LP的解是几何的:当等效用线的斜率与预算约束不同时,最优点是一个角点,整个蛋白质组预算被分配给单一最有利可图的底物的酶。角点解对应于二次生长,顺序底物消耗源于角点的选择,而不是一个独特的调控机制。只有当两条斜率重合时,最优解才会分布在整个预算线上,而不是集中在一个角点上;这种退化情况是同时底物利用的基础。仅使用从单底物实验中独立估计的参数,LP导出的控制论变量再现了产酸克雷伯氏菌在葡萄糖-木糖和葡萄糖-木糖-乳糖混合物上的二次和三次分批生长,其拟合度与经典匹配法则相当。因此,顺序底物利用是完美替代性下生长最大化特化的普遍结果,而共同利用是同等盈利能力的退化情况。