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为优化基于约束的模型，研究人员开发 CORAL 工具盒，发现地下代谢可维持代谢功能和生长稳健性。
在微观的细胞世界里，酶就像一个个勤劳的 “小工匠”，催化着各种代谢反应，维持细胞的正常运转。其中，有一些酶具有特殊的 “本领”—— 混杂性，它们不仅能催化主要反应，还能 “兼职” 催化一些其他反应，这些由混杂酶催化的非主要反应构成了一个神秘的 “地下世界”—— 地下代谢（underground metabolism）。一直以来，人们对这些 “兼职” 反应的生理意义知之甚少，很多人认为它们无关紧要。但随着研究的深入，科学家们发现这个地下代谢网络在生物进化、生物技术应用等方面有着重要作用。
传统的基于约束的方法，如基因组规模代谢模型（GEMs），在研究代谢表型时，没有考虑到酶的丰度和催化速率的限制，这就好比盖房子时没有考虑建筑材料的数量和工人的工作效率。后来出现的蛋白质约束 GEMs（pcGEMs）虽然有所改进，但仍然存在一些问题，比如无法准确描述酶资源在主要反应和侧反应之间的分配情况。
为了深入了解混杂酶活性和地下代谢的奥秘，来自巴西米纳斯吉拉斯联邦大学微生物学系、德国波茨坦大学和马克斯?普朗克分子植物生理学研究所的研究人员，展开了一项极具意义的研究。他们的研究成果发表在《iScience》杂志上，为我们打开了一扇了解细胞代谢的新窗口。
研究人员开发了一种名为 CORAL（constraint-based promiscuous enzyme and underground metabolism modeling）的工具盒，它是基于 MATLAB 开发的，并且建立在 GECKO 3 的基础之上。CORAL 工具盒主要有两个关键的技术创新点：一是将地下反应整合到大肠杆菌的 iML1515 模型中，构建了 iML1515u 模型，并利用 GECKO 3 将酶约束整合到该模型中；二是对 pcGEM 进行了重组，把每个混杂酶的酶池拆分成多个子池，每个子池对应一个催化反应，这样就能更精确地模拟酶资源在不同反应中的分配情况。
下面我们来看看研究人员通过这个工具盒获得了哪些重要的研究结果。
- 混杂酶增加代谢通量变异性：研究人员通过通量变异性分析（FVA）发现，包含地下反应的模型中，代谢通量的变异性更高。同时，地下反应也使得酶子池使用的变异性增加。这表明地下代谢就像细胞代谢的 “调节阀”，能让代谢通量和酶的使用更加灵活。
- 混杂酶活性确保代谢稳健性：当模拟代谢缺陷，即阻断混杂酶的主要反应时，研究人员发现酶资源会从主要反应重新分配到侧反应。例如，色氨酸酶 TnaA 在主要反应被阻断后，其酶子池资源会重新分配到催化丝氨酸降解的侧反应中。而且，细胞代谢对混杂酶活性的干扰具有很强的稳健性，即使一些代谢物受到影响，但细胞仍能维持正常的生长。这说明混杂酶的侧反应就像细胞代谢的 “备用轮胎”，在主要反应出现问题时能及时发挥作用。
- 代谢缺陷对生长的影响可被混杂酶缓解：研究人员通过阻断成对的主要反应来评估对生长的影响，发现不含混杂活性的酶对生长的影响更大，而含有混杂活性的酶在主要反应被阻断时，能通过资源重新分配来维持生长速率。相反，阻断侧反应对生长的影响较小。这进一步证明了混杂酶在维持细胞生长和代谢平衡方面的重要性。
- CORAL 预测结果的稳健性：考虑到 GECKO 3 中 DLKcat 工具预测的 kcat值可能存在不准确的问题，研究人员用 TurNuP 预测的 kcat值对模型进行重新参数化。结果发现，虽然两组 kcat值的相关性较差，但 CORAL 的预测结果仍然稳健。这表明 CORAL 工具盒的预测结果不受 kcat预测工具选择的影响。
研究结论和讨论部分指出，CORAL 工具盒为研究混杂酶活性和地下代谢提供了一个强大的工具。地下代谢增加了代谢通量的变异性，酶资源从主要反应到侧反应的重新分配，突显了地下代谢在维持代谢灵活性和稳健性方面的重要性。混杂酶活性对于维持细胞生长至关重要，在模拟混杂酶活性缺失的情况下，这种补偿效应就会消失。此外，研究结果对于不同的 kcat预测工具具有稳健性。这些发现强调了在基于约束的方法中考虑地下代谢和酶混杂性对于理解代谢可塑性的重要意义。
总的来说，这项研究通过开发 CORAL 工具盒，深入探究了地下代谢和混杂酶活性在细胞代谢中的作用，为我们理解细胞代谢的奥秘提供了新的视角，也为未来的生物技术应用和代谢工程研究奠定了坚实的基础。
