The Carbon Assimilation Network in Escherichia coli Is Densely Connected and Largely Sign-Determined by Directions of Metabolic Fluxes

Gene regulatory networks consist of direct interactions but also include indirect interactions mediated by metabolites and signaling molecules. We describe how these indirect interactions can be derived from a model of the underlying biochemical reaction network, using weak time-scale assumptions in combination with sensitivity criteria from metabolic control analysis. We apply this approach to a model of the carbon assimilation network in Escherichia coli. Our results show that the derived gene regulatory network is densely connected, contrary to what is usually assumed. Moreover, the network is largely sign-determined, meaning that the signs of the indirect interactions are fixed by the flux directions of biochemical reactions, independently of specific parameter values and rate laws. An inversion of the fluxes following a change in growth conditions may affect the signs of the indirect interactions though. This leads to a feedback structure that is at the same time robust to changes in the kinetic properties of enzymes and that has the flexibility to accommodate radical changes in the environment

Importance of metabolic coupling for the dynamics of gene expression following a diauxic shift in E. coli

Gene regulatory networks consist of direct interactions, but also include indirect interactions mediated by metabolism. We investigate to which extent these indirect interactions arising from metabolic coupling influence the dynamics of the system. To this end, we build a qualitative model of the gene regulatory network controlling carbon assimilation in E. coli, and use this model to study the changes in gene expression following a diauxic shift from glucose to acetate. In particular, we compare the steady-state concentrations of enzymes and transcription regulators during growth on glucose and acetate, as well as the dynamic response of gene expression to the exhaustion of glucose and the subsequent assimilation of acetate. We find significant differences between the dynamics of the system in the absence and presence of metabolic coupling. This shows that interactions arising from metabolic coupling cannot be ignored when studying the dynamics of gene regulatory networks.Les réseaux de régulation géniques sont composés d'interactions directes, mais incluent aussi des interactions indirectes dues au couplage avec le métabolisme. Nous étudions dans quelle mesure ces interactions indirectes influencent la dynamique du système. Dans ce but, nous avons construit un modèle qualitatif du réseau de régulation génique contrôlant l'assimilation du carbone chez E. coli et nous utilisons ce modèle pour étudier la réponse génique lors d'une diauxie glucose-acetate. Plus précisément, nous comparons les concentrations à l'état stationnaire des enzymes et des régulateurs globaux lors d'une croissance sur glucose et sur acetate, ainsi que la dynamique de l'expression de gènes suite à l'épuisement du glucose. Nous trouvons des différences significatives entre la dynamique prédite en absence et en présence des interactions indirectes. Nos résultats montrent que les interactions dues au couplage avec le métabolisme doivent être prises en compte quand on s'intéresse à la dynamique de réseaux de régulation géniques

The logic layout of the TOL network of Pseudomonas putida pWW0 plasmid stems from a metabolic amplifier motif (MAM) that optimizes biodegradation of m-xylene

<p>Abstract</p> <p>Background</p> <p>The genetic network of the TOL plasmid pWW0 of the soil bacterium <it>Pseudomonas putida </it>mt-2 for catabolism of <it>m-</it>xylene is an archetypal model for environmental biodegradation of aromatic pollutants. Although nearly every metabolic and transcriptional component of this regulatory system is known to an extraordinary molecular detail, the complexity of its architecture is still perplexing. To gain an insight into the inner layout of this network a logic model of the TOL system was implemented, simulated and experimentally validated. This analysis made sense of the specific regulatory topology out on the basis of an unprecedented network motif around which the entire genetic circuit for <it>m-</it>xylene catabolism gravitates.</p> <p>Results</p> <p>The most salient feature of the whole TOL regulatory network is the control exerted by two distinct but still intertwined regulators (XylR and XylS) on expression of two separated catabolic operons (<it>upper </it>and <it>lower</it>) for catabolism of <it>m</it>-xylene. Following model reduction, a minimal modular circuit composed by five basic variables appeared to suffice for fully describing the operation of the entire system. <it>In silico </it>simulation of the effect of various perturbations were compared with experimental data in which specific portions of the network were activated with selected inducers: <it>m-</it>xylene, <it>o-</it>xylene, 3-methylbenzylalcohol and 3-methylbenzoate. The results accredited the ability of the model to faithfully describe network dynamics. This analysis revealed that the entire regulatory structure of the TOL system enables the action an unprecedented metabolic amplifier motif (MAM). This motif synchronizes expression of the <it>upper </it>and <it>lower </it>portions of a very long metabolic system when cells face the head pathway substrate, <it>m-</it>xylene.</p> <p>Conclusion</p> <p>Logic modeling of the TOL circuit accounted for the intricate regulatory topology of this otherwise simple metabolic device. The found MAM appears to ensure a simultaneous expression of the <it>upper </it>and <it>lower </it>segments of the <it>m-</it>xylene catabolic route that would be difficult to bring about with a standard substrate-responsive single promoter. Furthermore, it is plausible that the MAM helps to avoid biochemical conflicts between competing plasmid-encoded and chromosomally-encoded pathways in this bacterium.</p

METABOLIC MODELING AND OMICS-INTEGRATIVE ANALYSIS OF SINGLE AND MULTI-ORGANISM SYSTEMS: DISCOVERY AND REDESIGN

Computations and modeling have emerged as indispensable tools that drive the process of understanding, discovery, and redesign of biological systems. With the accelerating pace of genome sequencing and annotation information generation, the development of computational pipelines for the rapid reconstruction of high-quality genome-scale metabolic networks has received significant attention. These models provide a rich tapestry for computational tools to quantitatively assess the metabolic phenotypes for various systems-level studies and to develop engineering interventions at the DNA, RNA, or enzymatic level by careful tuning in the biophysical modeling frameworks. in silico genome-scale metabolic modeling algorithms based on the concept of optimization, along with the incorporation of multi-level omics information, provides a diverse array of toolboxes for new discovery in the metabolism of living organisms (which includes single-cell microbes, plants, animals, and microbial ecosystems) and allows for the reprogramming of metabolism for desired output(s). Throughout my doctoral research, I used genome-scale metabolic models and omics-integrative analysis tools to study how microbes, plants, animal, and microbial ecosystems respond or adapt to diverse environmental cues, and how to leverage the knowledge gleaned from that to answer important biological questions. Each chapter in this dissertation will provide a detailed description of the methodology, results, and conclusions from one specific research project. The research works presented in this dissertation represent important foundational advance in Systems Biology and are crucial for sustainable development in food, pharmaceuticals and bioproduction of the future. Advisor: Rajib Sah

Modélisation de réseaux biochimiques bactériens – Un aller-retour entre données et modèles

With the advent of new technologies, experimental data in biology has exploded in size and complexity. It is now possible to simultaneously quantify different components of the cell at metabolic, transcriptomic, proteomic, and phenotypic levels. Connecting these different multi-scale and dynamic datasets provides an integrated view of cellular growth and informs us about the underlying molecular networks of genes, RNAs, proteins and metabolites that control the adaptation of the cell to the environment. This is the perspective offered by math-ematical modelling and computer simulation, allowing the association of different microscopic and macroscopic scales. This is a difficult problem however, because of the noise and the heterogeneity of the data, and of the size and the nonlinearity of the models. As a consequence, a large number of datasets are only partially analysed and underexploited. This manuscript describes the work I have carried out to improve the utilization of experimental data to gain a better understanding of the adaptation of bacterial growth to a changing environment. This work has been carried out within the Ibis project-team (Inria, Université Grenoble Alpes) with my colleagues, especially the students that I have had the chance to supervise. After the introductory Chapter 1, I describe in Chapter 2 the modelling of cellular networks using ordinary differential equations as well as simplification and approximation of the models depending on the nature of the available data and the questions addressed. These principles are applied in Chapter 3 to the qualitative analysis of the dynamics of gene networks in the context of the carbon starvation response in Escherichia colibacteria. With the general trend of biology becoming increasingly quantitative, modelling studies require obtaining reliable gene expression and metabolomic data, the analysis of which requires the development of suitable methods described in Chapter 4. Chapter 5 examines the strong link between the activity of the cellular gene expression machinery and bacterial growth rate. This understanding is used to develop a synthetic strain of E. coliwhose growth control makes it possible to divert the flow of precursors for growth towards the bioproduction of molecules of biotechnological interest. In Chapter 6, large-scale reconstructions of central carbon metabolism are used as platforms to interpret datasets regarding the post-transcriptional regulation of central carbon metabolisminE. coli. Chapter 7 is dedicated to the genome-scale analysis of mRNA decay by means of dynamic transcriptomics data. I describe in Chapter 8 ongoing and future projects towards the integrative analysis of microbial growth and resource allocation strategies. The scientific developments of these projects are expected to shape my own research activity in the coming years and that of the future project-team, under creation, that I will lead.Avec l’arrivée des nouvelles technologies, les données expérimentales en biologie ont explosé en taille et complexité. Il est désormais possible de quantifier en même temps différents composants de la cellule au niveau métabolique, transcriptomique, protéomique et de caractéristiques phénotypiques comme le taux de croissance. Relier ces différents jeux de donnée smulti-échelles et dynamiques permet d’obtenir une vision intégrée de la croissance cellulaire,en nous renseignant sur la façon dont les réseaux moléculaires sous-jacents de gènes, ARN,protéines et métabolites contrôlent l’adaptation des cellules à leur environnement. C’est le cadre qu’offrent la modélisation mathématique et la simulation informatique, en permettant d’associer les différentes échelles microscopiques et macroscopiques. C’est cependant un problème difficile, du fait du bruit et de l’hétérogénéité des données d’une part, et de la taille et la forme non-linéaire des modèles d’autre part. La conséquence est qu’un grand nombre de jeux de données ne sont que partiellement analysés et sous-exploités.Ce manuscrit décrit les travaux que j’ai menés pour améliorer l’utilisation de données expérimentales afin d’obtenir une meilleure compréhension de l’adaptation de la croissance bactérienne à un environnement changeant. Ces travaux ont été menés au sein de l’équipe-projet Ibis (Inria, Université Grenoble Alpes) avec mes collègues, en particulier les étudiants que j’ai eu la chance d’encadrer. Après un premier chapitre d’introduction, je décris en chapitre 2 les concepts de base de la modélisation des réseaux biochimiques. Je détaillerai en particulier les reconstructions du métabolisme cellulaire à l’échelle du génome et la modélisation cinétique des réactions enzymatiques, dont les concepts sont utilisés dans plusieurs travaux présentés dans ce manuscrit. La grande dimension et non linéarité des modèles cinétiques complique l’estimation de leurs paramètres et l’analyse de leur dynamique. Je présenterai des travaux sur des simplifications appropriées pour ces modèles selon la nature des données à disposition et les questions abordées, comme la réduction de modèles d’équations différentielles ordinaires (ODE) par séparation des échelles de temps ou l’approximation des modèles ODE par des modèles linéaires par morceaux. Du fait de leur dérivation rigoureuse, les modèles simplifiés retiennent les principales caractéristiques des modèles ODE. Ces approches seront utilisées pour les différents modèles dynamiques présentés dans ce manuscrit. Dans le chapitre 3, je présente des travaux d’analyse de la dynamique d’un réseau de régulation génique contrôlant la réponse à la privation en carbon de la bactérie Escherichiacoli. Lors de ces travaux, l’absence de données quantitatives dans la littérature ne permettait pas d’utiliser un modèle ODE pour décrire la dynamique du système. J’ai plutôt analysé la dynamique d’une version linéaire par morceaux de ce modèle par une approche de modélisation et simulation qualitative. Je décrirai le principe de cette approche avec un exemple simple et son application à l’étude du réseau de la réponse au manque de source de carbone. Cette approche a permis pour la première fois de relier la croissance d’E. coliavec les principaux régulateurs transcriptionnels de la bactérie, et de comprendre les cascades de régulations mises en place lors de la réponse à une privation en glucose ou du rédémarrage de croissance sur ce sucre.L’évolution de la biologie en une science quantitative permet d’obtenir de nombreusesviidonnées d’expression génique et du métabolisme cellulaire. La fiabilité de ces données nécessite le développement de méthodes d’analyse adaptées décrites dans le chapitre 4. Je décrirai des travaux sur l’analyse de données de gènes rapporteurs et l’analyse de données de métabolomique afin de pouvoir reconstruire des profils d’activités de promoteurs et de concentrations de protéines dans le premier cas, et des vitesses d’import et secrétion de métabolites extracellulaires,ainsi que des taux de croissance dans le second cas. Les données quantitatives utilisées dans le reste du manuscrit ont été analysées grâce à ces approches. Le chapitre 5 s’intéresse au lien étroit entre activité de la machinerie cellulaire d’expression génique et taux de croissance bactérien. A l’aide de modèles simples intégrant des données expérimentales de gènes rapporteurs, nous montrons le rôle clé joué par la machinerie d’expression génique dans l’adaptation globale de l’expression des gènes au cours de la croissance. Ces travaux montrent que le fonctionnement des réseaux biochimiques ne peut être déconnecté de l’état physiologique de la cellule. Cette compréhension est utilisée pour l’ingénierie d’une souched’E. colisynthétique dont le contrôle de la croissance permet de divertir les flux de précurseurs pour la croissance vers la bioproduction de molécules d’intérêt biotechnologique. Dans le chapitre 6, de grandes reconstructions du métabolisme et différents jeux de données (métabolomique, activités spécifiques) sont utilisées pour étudier la régulation post-transcriptionnelle du métabolisme central carboné chezE. coli. Ces travaux ont permis d’expliquer les conséquences physiologiques de l’atténuation du gène de la protéine CsrA et d’identifier des ARNm cibles de cette protéine. Nous avons en outre pu montrer que chezE. coliégalement, le glycogène joue un rôle de stockage de sucre qui sert de source d’énergie pour faciliter la transition de la croissance bactérienne d’une source de carbone à une autre.Le chapitre 7 s’intéresse à la dégradation de l’ensemble des ARNm d’E. coli. Je décrirai le développement d’un modèle simple reposant sur des approches de quasi-équilibre et permettant de prédire la cinétique de dégradation de chacun des ARNm cellulaires de la bactérieE. coli. Nous avons pu formuler de nouvelles hypothèses sur le rôle possible de la compétition entre ARNm pour leur fixation au dégradosome lors de l’adaptation de la croissance bactérienne à des changements environnementaux. Nous montrons également que ce mécanisme de compétition joue un rôle physiologique grâce à une approche de modélisation non linéaire à effets mixtes utilisant le modèle mécanistique de la dégradation des ARNm et des jeux de données de transcriptomique dynamique mesurant la cinétique de disparition des ARNm cellulaires.Le chapitre 8 est dédié à des projets en cours et futurs sur l’analyse intégrative de la croissance microbienne et les stratégies d’allocation de ressources des bactéries. Les travaux menés dans le cadre de ces projets vont définir mon activité scientifique dans les années à venir et celle de la future équipe-projet, en cours de création, dont je prendrai la direction

MI-NODES multiscale models of metabolic reactions, brain connectome, ecological, epidemic, world trade, and legal-social networks

[Abstract] Complex systems and networks appear in almost all areas of reality. We find then from proteins residue networks to Protein Interaction Networks (PINs). Chemical reactions form Metabolic Reactions Networks (MRNs) in living beings or Atmospheric reaction networks in planets and moons. Network of neurons appear in the worm C. elegans, in Human brain connectome, or in Artificial Neural Networks (ANNs). Infection spreading networks exist for contagious outbreaks networks in humans and in malware epidemiology for infection with viral software in internet or wireless networks. Social-legal networks with different rules evolved from swarm intelligence, to hunter-gathered societies, or citation networks of U.S. Supreme Court. In all these cases, we can see the same question. Can we predict the links based on structural information? We propose to solve the problem using Quantitative Structure-Property Relationship (QSPR) techniques commonly used in chemo-informatics. In so doing, we need software able to transform all types of networks/graphs like drug structure, drug-target interactions, protein structure, protein interactions, metabolic reactions, brain connectome, or social networks into numerical parameters. Consequently, we need to process in alignment-free mode multitarget, multiscale, and multiplexing, information. Later, we have to seek the QSPR model with Machine Learning techniques. MI-NODES is this type of software. Here we review the evolution of the software from chemoinformatics to bioinformatics and systems biology. This is an effort to develop a universal tool to study structure-property relationships in complex systems

The compositional and evolutionary logic of metabolism

Metabolism displays striking and robust regularities in the forms of modularity and hierarchy, whose composition may be compactly described. This renders metabolic architecture comprehensible as a system, and suggests the order in which layers of that system emerged. Metabolism also serves as the foundation in other hierarchies, at least up to cellular integration including bioenergetics and molecular replication, and trophic ecology. The recapitulation of patterns first seen in metabolism, in these higher levels, suggests metabolism as a source of causation or constraint on many forms of organization in the biosphere. We identify as modules widely reused subsets of chemicals, reactions, or functions, each with a conserved internal structure. At the small molecule substrate level, module boundaries are generally associated with the most complex reaction mechanisms and the most conserved enzymes. Cofactors form a structurally and functionally distinctive control layer over the small-molecule substrate. Complex cofactors are often used at module boundaries of the substrate level, while simpler ones participate in widely used reactions. Cofactor functions thus act as "keys" that incorporate classes of organic reactions within biochemistry. The same modules that organize the compositional diversity of metabolism are argued to have governed long-term evolution. Early evolution of core metabolism, especially carbon-fixation, appears to have required few innovations among a small number of conserved modules, to produce adaptations to simple biogeochemical changes of environment. We demonstrate these features of metabolism at several levels of hierarchy, beginning with the small-molecule substrate and network architecture, continuing with cofactors and key conserved reactions, and culminating in the aggregation of multiple diverse physical and biochemical processes in cells.Comment: 56 pages, 28 figure