Modelling interspecies interactions of syntrophic communities of Syntrophobacter fumaroxidans and Methanospirillum hungatei

Abstract

Microbial communities have gained particular interest and have been used for practical applications such as biorefineries, and bioremediation. However, studying these communities has proven to be difficult due to the absence of experimental protocols and computational tools like the ones available for single organisms. In this work, we present Genome-Scale Metabolic models both for Methanospirillum hungatei strain JF1 and Syntrophobacter fumaroxidans strain MPOBT, together with a model that combines both into one community model. The genome-scale metabolic model reconstruction of S. fumaroxidans was performed in merlin whereas, the methane-producing archaeon M. hungatei was reconstructed in KBase’s environment and the model curation was performed in merlin. OptFlux and BioCoISO, a tool implemented over COBRApy developed specifically for debugging model pathways, were used for curating and validating both models. The metabolism of each individual organism was assessed through its model reconstruction. In silico simulations demonstrated the production of various compounds of interest such as formate in M. hungatei and acetate in S. fumaroxidans. The meta-model representing the community composed by both organisms was assembled using FRAMED, and it was able to describe the metabolic exchanges between the formate scavenger M. hungatei and the syntrophic partner S. fumaroxidans. The reconstructed models can be used to study further the metabolic interactions between these bacteria.

As comunidades microbianas são de especial interesse e têm sido usadas para aplicações práticas como em biorrefinarias e biorremediação. No entanto, o estudo destas comunidades tem sido difícil devido há falta de protocolos experimentais e ferramentas computacionais, como os que existem para cada organismo individualmente. Neste trabalho são apresentados os modelos metabólicos à escala genómica para estirpe JF1 de Methanospirillum hungatei e a estirpe MPOBT de Syntrophobacter fumaroxidans, juntamente com um modelo que combina ambos os modelos criados num modelo de comunidade. A reconstrução do modelo metabólico à escala genómica de S. fumaroxidans foi realizada no merlin, enquanto que o modelo da bactéria produtora de metano M. hungatei foi reconstruído na KBase e a curação manual efetuada no merlin. OptFlux e BioColSO, uma ferramenta implementada sobre o COBRApy, desenvolvida especificamente para a correção de vias do modelo, foram usadas para a curação e validação de ambos os modelos. O metabolismo de cada organismo foi acedido através das respetivas reconstruções realizadas para cada um. Simulações in silico demonstraram a produção de vários compostos de interesse como o formato no caso de M. hungatei e acetato no caso de S. fumaroxidans. O meta-modelo criado que representa a comunidade formada por ambos os organismos foi criado a partir de uma ferramenta presente no FRAMED, e este é capaz de descrever as trocas metabólicas entre M. hungatei e S. fumaroxidans. Os modelos reconstruídos podem ser usados para estudar no futuro as interações metabólicas entre estas duas bactérias.