Genome-Scale Metabolic Network Reconstruction of the dairy bacterium Streptococcus thermophilus

Abstract

The dairy food industry is constantly changing as novel biotechnological techniques improve the manufacturing process of dairy products. Widely used over the years in the yogurt and cheese manufacturing, Streptococcus thermophilus is now considered as an extremely valuable lactic acid bacterium for the annual market of the dairy industry. A specific, but of easy-access knowledge regarding the thermophilic bacteria metabolism would be a plus for the continuous growth of such industry. In this work, we present the Genome-Scale Metabolic (GSM) model for the LMD- 9 strain of S. thermophilus together with the detailed description of the species metabolic capabilities at the cellular level. The reconstruction of the genome-scale metabolic model, was performed using Metabolic Models Reconstruction Using Genome-Scale Information (merlin) together with COBRApy tool and OptFlux platform. S. thermophilus LMD-9 genome was functionally annotated and the encoded metabolic information was afterwards used to assemble a draft network. After extensive manual curation, the metabolic network was converted to a comprehensive metabolic model. The assembled GSM model was then validated against experimental data. The metabolism of this important stater for the dairy industry has been accessed in detail through the reconstruction. The organism possesses a simple machinery for central carbon metabolism and shows a narrow spectrum of carbohydrate utilization. The genome-scale metabolic model additionally suggests the existence of several pyruvate dissipating pathways which end in the synthesis of various compounds of interest. In silico simulations demonstrated the production of lactate and residual amounts of formate, acetolactate and acetaldehyde. Regarding the amino acid metabolism, the organism possesses complete pathways for the biosynthesis of all amino acids, except for lysine, methionine and cysteine. Furthermore, the GSM model can be used to simulate other relevant features of the S. thermophilus metabolism, such as the aroma compounds and Exopolysaccharides (EPS) synthesis, oxygen tolerance, absence of complete citrate cycle and pentose phosphate pathway, urea metabolism or amino acid catabolism.

A indústria dos lacticínios encontra-se em constante mudança devido ao aparecimento de novas técnicas biotecnológicas que permitem o melhoramento da produção dos laticínios. Amplamente utilizado ao longo dos anos na produção de iogurte e queijo, Streptococcus thermophilus é agora considerado extremamente valioso para o mercado anual desta indústria. Portanto, conhecimento especifico, mas facilmente acessível e compreensivo sobre o metabolismo da bactéria seria uma vantagem para o crescimento continuo desta industria. Nesta tese, apresentamos o modelo metabólico à escala genómica para a estirpe LMD-9 de S. thermophilus, juntamente com um estudo aprofundado das suas capacidades metabólicas. Para obter a reconstrução do modelo metabólico à escala genómica, foi usada principalmente a ferramenta merlin com o apoio da ferramenta COBRApy e a plataforma OptFlux. O genoma de S. thermophilus LMD-9 foi anotado e as informações metabólicas codificadas foram usadas para construir uma rede rascunho. Após curação manual, a rede metabólica foi convertida num modelo metabólico à escala genómica. Posteriormente, o modelo de S. thermophilus foi validado contra dados experimentais. O metabolismo desta bactéria acido láctica foi estudado em detalhe através da reconstrução. O organism dispõe de um metabolismo de carbono muito simples e um espectro de utlização de hidratos de carbono bastante reduzido. Além disso, o modelo desenvolvido sugere a existência de várias vias metabólicas que se iniciam no piruvato e terminam na síntese de vários compostos de interesse, embora as simulações in silico tenham demonstrado apenas a produção de lactato e quantidades residuais de formato, acetolactato e acetaldeído. No que diz respeito ao metabolismo dos aminoácidos, o organismo possui as vias completas para a biossíntese de todos aminoácidos, à exceção da lisina, metionina e cisteína. O modelo pode ser usado para simular outras características relevantes de S. thermophilus, tais como a síntese de EPS e compostos aromáticos, tolerância ao oxigénio, ausência de um ciclo completo do ácido cítrico ou da via das pentoses fosfato, metabolismo da ureia ou catabolismo de aminoácidos.