《Scientific Reports》：Whole-cell modeling predicts alternative proteome allocation strategies in the archaeon Methanococcus maripaludis
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本研究针对古菌独特的蛋白质组分配现象（如其核糖体蛋白质组分配不随生长速率变化），构建了首个针对产氢型甲烷古菌甲烷球菌的蛋白质组约束代谢模型。研究人员整合了多种生物信息学数据库，系统扩充了该菌的基因组尺度代谢模型，使其涵盖了蛋白质合成的全过程。模型成功预测了该古菌在不同条件下的替代性蛋白质组资源分配策略与突变体适应度，为深入理解资源分配如何影响产氢型甲烷生成途径提供了一个全新的、可量化的研究框架。
在微观的生命世界里，古老的“居民”——古菌，以其独特的生理机制在极端环境中顽强生存，并在地球的元素循环中扮演着关键角色。甲烷球菌（Methanococcus maripaludis， M. maripaludis）就是这样一位明星“居民”，它作为一种产氢型甲烷古菌，是研究古菌生理和能量代谢，特别是产氢型甲烷生成途径的重要模型。然而，生命活动并非简单的化学反应堆砌，它更像一场精密的资源调度与分配博弈。细胞必须在有限的总蛋白质组“预算”内，合理地分配给核糖体（蛋白质合成工厂）和各种代谢酶，以应对外界环境变化，实现高效生长。有趣的是，科学家发现，与许多细菌和真核生物不同，甲烷球菌展现出一种“特立独行”的资源分配策略：其核糖体蛋白质组的分配比例并不随生长速率的变化而变化。这一现象背后隐藏着怎样的生理逻辑和进化智慧？它如何影响其在产氢型甲烷生成这一核心能量获取途径上的效率？为了解开这些谜团，迫切需要构建一个能整合蛋白质合成与代谢网络的定量模型，从而预测和理解这种独特的资源分配策略及其生物学后果。
研究人员迎难而上，开展了题为“全细胞建模预测古菌甲烷球菌的替代性蛋白质组分配策略”的研究，旨在构建一个蛋白质组约束的代谢模型，以解释和预测甲烷球菌的生理特性。这项研究近期发表在《Scientific Reports》期刊上。
为达成这一目标，研究团队主要运用了以下几项关键技术方法：首先，系统性地整合了多个生物信息学数据库，以收集关于翻译过程和酶复合物的关键信息。其次，在甲烷球菌已有的基因组尺度代谢模型基础上进行扩展，通过数学建模的方法，将蛋白质合成过程（包括核糖体组装、tRNA装载和酶复合物装配反应）整合到代谢网络中，从而构建出能够模拟蛋白质组资源分配的约束性模型。
模型构建与验证
研究人员首先系统梳理和整合了来自多种数据库的信息，为模型的扩展奠定了数据基础。他们成功地将蛋白质合成机制，包括核糖体组装、tRNA氨酰化（即装载）以及多亚基酶的组装过程，以化学反应网络的形式整合进原有的基因组尺度代谢模型框架中。这一过程使得模型能够同时模拟代谢通量分布和蛋白质组资源的分配。通过对模型进行基本的生理学验证（例如模拟生长速率与底物消耗的关系），确认了扩展后模型的有效性。
替代性蛋白质组分配策略的预测
利用构建好的模型，研究人员模拟了甲烷球菌在不同环境条件下的生理状态。模型的核心预测结果揭示了该古菌可能存在多种替代性的蛋白质组分配策略。这些策略在如何将有限的蛋白质资源分配给核糖体、代谢酶以及维持细胞基本功能的“管家”蛋白之间进行权衡。特别是，模型从理论上支持了实验中观察到的现象，即核糖体蛋白质组份额的稳定性，并进一步预测了为实现特定生长目标，细胞如何在其他功能模块（如产氢型甲烷生成途径中的关键酶系）间动态调配资源。
突变体适应度的评估
为了进一步检验模型的预测能力，研究者还利用模型评估了特定基因突变对菌株适应度（通常以生长速率衡量）的潜在影响。通过模拟敲除或改变特定蛋白质合成相关组分（如某种tRNA合成酶）的活性，模型能够定量预测这些遗传扰动如何通过改变全局的蛋白质组分配，最终影响细胞的整体生长表现。这为理解基因型-表型关系提供了新的视角。
综合模型构建、模拟分析与预测验证，本研究得出了明确的结论：通过整合蛋白质合成过程，成功构建了一个能够解释和预测甲烷球菌独特生理特性的蛋白质组约束代谢模型。该模型不仅为实验中观察到的“核糖体蛋白质组分配不随生长速率变化”这一现象提供了可能的定量解释框架，更重要的是，它预测了该古菌在不同生长条件下可能采取的多种替代性蛋白质组资源分配方案。同时，模型能够用于评估遗传扰动（突变）对菌株适应度的影响，展示了其在合成生物学和代谢工程中的应用潜力。
在讨论部分，作者强调了这项研究的重要意义。该模型为研究资源分配如何调控产氢型甲烷生成这一古老而重要的代谢途径提供了首个系统性的计算框架。它超越了传统的、仅关注代谢通量的模型，将“蛋白质合成成本”这一关键细胞约束条件纳入考量，使得对古菌生理的模拟更加贴近真实情况。这项研究成果不仅深化了我们对古菌这一独特生命域资源管理策略的理解，也为未来通过理性设计和改造古菌，以优化其甲烷生产效率或适应特定工业应用环境，奠定了重要的理论基础和方法学工具。
