Controle de la chaine de biosynthese de la threonine chezE. coli

Abstract

This paper deals with the application of the metabolic control theory, especially the measurement of control coefficients, to the threonine pathway inE. coli. The control coefficient of a step on a metabolic flux quantitatively assesses the flux response to the step variations. This concept is particularly relevant both in pathological situations (decrease in the activity of an enzymatic step in the metabolism) and in biotechnologies, where, on the contrary steps are amplified.

Measurement of the control coefficients of the steps of a metabolic network makes it possible to know those whose amplification should lead to a simultaneous increase in the fluxes.

We have applied these concepts to threonine biosynthesis from aspartate inE. coli. The threonine pathway starting from aspartate involves five steps catalyzed by five enzyme activities: aspartokinase (AK), aspartate-semialdehyde-dehydrogenase (ASA-DH), homoserine dehydrogenase (HDH), homoserine kinase (HK) and hreonine synthetase activity (TS).

Measurement of the control coefficient of the first step (AK, insensitive to threonine inhibition in the studied strain) has shown that it controls threonine production weakly. Our study has revealed a hitherto unknown inhibition of homoserine kinase activity by lysine.

Mathematical modeling of this metabolic pathway has been undertaken to better understand our experimental results.

Resume

Le travail décrit dans cet article s'appuie sur la théorie du contrôle du métabolisme et a pour but la mesure des coefficients de contrôle des différentes étapes sur le flux de production de thréonine. Le coefficient de contrôle d'une étape sur un flux mesure quantitativement la réponse du flux aux variations de l'étape. Cette notion est donc particulièrement importante aussi bien dans les situations pathologiques (diminution de l'activité d'une étape) qu'en biotechnologies où au contraire les étapes sont amplifiées.

La mesure des coefficients de contrôle des étapes d'une chaîne métabolique permet donc de connaître celle(s) dont l'amplification doit entraîner une augmentation concomitante du flux.

Nous avons appliqué ces concepts à l'étude de la voie de biosynthèse de la thréonine à partir de l'aspartate.

La voie de la biosynthèse de la thréonine à partir de l'aspartate est constituée de cinq étapes catalysées par cinq activités enzymatiques: l'aspartokinase (AK), l'aspartate semi-aldéhyde déshydrogénase (ASA-DH), l'homosérine déshydrogénase (HDH), l'homosérine kinase (HK) et la thréonine synthase (TS).

La mesure du coefficient de contrôle de la première étape (AK, insensible à la rétro-inhibition par la thréonine dans la souche étudiée) a montré qu'elle était faiblement contrôlante. L'étude a révélé la présence d'une inhibition jusqu'alors inconnue de l'homosérine kinase par la lysine.

Un début de modélisation de cette chaîne de biosynthèse permet d'expliquer les résultats expérimentaux.