代谢网络的活性反应核心与可塑性

理解生物体为响应环境变化而在系统层面发生的适应性改变是当代生物学的一个关键问题。当前的建模方法如基于约束的通量平衡分析（FBA）已证明在分析细胞代谢能力方面非常成功，包括其预测缺失表型的能力、计算代谢反应相对通量值的能力以及交替最优生长态的性质。在此，我们使用FBA在30,000种多样的模拟环境中彻底评估大肠杆菌（Escherichia coli）、幽门螺杆菌（Helicobacter pylori）和酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）代谢的活性。我们识别出一组构成连通代谢核心的代谢反应，其在所有生长条件下携带非零通量，且其通量变化高度相关。此外，我们发现催化核心反应的酶比催化非核心反应的酶表现出显著更高的表型必需性和演化保守性比例。细胞代谢的特征在于大量物种特异性的条件活性反应围绕一个演化保守的始终活跃的代谢核心组织。最后，我们发现当前大多数干扰细菌代谢的抗生素靶向核心酶，表明我们的发现可能对抗微生物药物靶点发现具有重要启示。