Enzyme expression kinetics by Escherichia coli during transition from rich to minimal media depends on proteome reserves

大肠杆菌 蛋白质组 氨基酸 过渡(遗传学) 生物 生物化学 适应性 动力学 基因表达 蛋白质表达 基因 生态学 物理 量子力学
作者
Chenhao Wu,Matteo Mori,Miriam Abele,Amir Banaei‐Esfahani,Zhongge Zhang,Hiroyuki Okano,Ruedi Aebersold,Christina Ludwig,Terence Hwa
出处
期刊:Nature microbiology 卷期号:8 (2): 347-359 被引量:14
标识
DOI:10.1038/s41564-022-01310-w
摘要

Bacterial fitness depends on adaptability to changing environments. In rich growth medium, which is replete with amino acids, Escherichia coli primarily expresses protein synthesis machineries, which comprise ~40% of cellular proteins and are required for rapid growth. Upon transition to minimal medium, which lacks amino acids, biosynthetic enzymes are synthesized, eventually reaching ~15% of cellular proteins when growth fully resumes. We applied quantitative proteomics to analyse the timing of enzyme expression during such transitions, and established a simple positive relation between the onset time of enzyme synthesis and the fractional enzyme ‘reserve’ maintained by E. coli while growing in rich media. We devised and validated a coarse-grained kinetic model that quantitatively captures the enzyme recovery kinetics in different pathways, solely on the basis of proteomes immediately preceding the transition and well after its completion. Our model enables us to infer regulatory strategies underlying the ‘as-needed’ gene expression programme adopted by E. coli. Resource allocation in bacteria and adaptation to nutritional downshifts are characterized using a combination of quantitative proteomics and coarse-grained physiological modelling.
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