Deep learning basedkcatprediction enables improved enzyme constrained model reconstruction

蛋白质组 计算机科学 计算生物学 管道(软件) 人工智能 机器学习 表型 基因组 比例(比率) 生物 生物化学 基因 物理 量子力学 程序设计语言
作者
Feiran Li,Le Yuan,Hongzhong Lu,Gang Li,Yu Chen,Martin K. M. Engqvist,Eduard J. Kerkhoven,Jens Nielsen
标识
DOI:10.1101/2021.08.06.455417
摘要

Abstract Enzyme turnover numbers ( k cat values) are key parameters to understand cell metabolism, proteome allocation and physiological diversity, but experimentally measured k cat data are sparse and noisy. Here we provide a deep learning approach to predict k cat values for metabolic enzymes in a high-throughput manner with the input of substrate structures and protein sequences. Our approach can capture k cat changes for mutated enzymes and identify amino acid residues with great impact on k cat values. Furthermore, we applied the approach to predict genome scale k cat values for over 300 yeast species, demonstrating that the predicted k cat values are consistent with current evolutional understanding. Additionally, we designed an automatic pipeline using the predicted k cat values to parameterize enzyme-constrained genome scale metabolic models (ecGEMs) facilitated by a Bayesian approach, which outperformed the default ecGEMs in predicting phenotypes and proteomes and enabled to explain phenotype differences among yeast species. The deep learning k cat prediction approach and automatic ecGEM construction pipeline would thus be a valuable tool to uncover the global trend of enzyme kinetics and physiological diversity, and to further elucidate cell metabolism on a large scale.
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