本文介绍了一项关于Oenococcus oeni（一种在葡萄酒生产中起关键作用的乳酸菌）的基因组尺度代谢网络重建研究。该研究由Sebastián N. Mendoza、Pablo M. Cañón、Ángela Contreras、Magdalena Ribbeck和Eduardo Agosín等作者共同完成，并于2017年3月30日发表在Frontiers in Microbiology期刊上。研究的核心目标是构建Oenococcus oeni的基因组尺度代谢模型（Genome-Scale Metabolic Model, GEM），以更好地理解其在葡萄酒苹果酸-乳酸发酵（Malolactic Fermentation, MLF）中的代谢行为。
苹果酸-乳酸发酵（MLF）是葡萄酒生产中的关键步骤，尤其在红葡萄酒和一些白葡萄酒中。MLF通过将苹果酸转化为乳酸，降低葡萄酒的酸度，同时改善其香气和风味复杂性，并提高葡萄酒的生物稳定性。Oenococcus oeni是MLF的主要执行者，因其能够在高乙醇、低pH、低营养和高亚硫酸盐等恶劣环境中生长。然而，MLF的启动和完成常常不可预测，导致葡萄酒生产过程中的经济损耗。尽管已有许多研究试图理解O. oeni的代谢机制，但其在葡萄酒环境中的代谢行为仍不完全清楚。
研究团队构建了O. oeni的第一个基因组尺度代谢模型，命名为iSM454。该模型包含660个反应、536个代谢物和454个基因，涵盖了O. oeni的代谢网络。模型的构建基于O. oeni PSU-1菌株的基因组序列，并通过手动校正和文献验证，确保模型的准确性。研究使用了多种生物信息学工具和数据库，如KEGG、MetaCyc和TransportDB，来完善代谢网络的构建。
为了验证模型的准确性，研究团队进行了in silico（计算机模拟）实验，模拟了不同培养基条件下的生长情况，并与实验数据进行了对比。模型预测的营养需求和生长速率与实验数据高度一致，准确率达到93%。此外，研究还通过通量平衡分析（Flux Balance Analysis, FBA）和通量变异性分析（Flux Variability Analysis, FVA）等方法，分析了O. oeni在不同乙醇浓度下的代谢通量变化。
营养需求预测：模型成功预测了O. oeni的14种必需氨基酸，并验证了其在缺乏某些氨基酸时的生长情况。模型还预测了不同碳源对O. oeni生长的影响，结果显示葡萄糖、果糖、核糖等碳源可以支持其生长。
ATP维持需求：研究发现，O. oeni在12%乙醇浓度下，维持细胞生存所需的ATP是非乙醇条件下的30倍。这表明，乙醇的存在显著增加了细胞的能量需求，尤其是在质子外排等过程中。
代谢通量重分布：在不同乙醇浓度下，O. oeni的代谢通量发生了显著变化。随着乙醇浓度的增加，果糖、苹果酸和柠檬酸的消耗速率显著增加，同时乳酸、乙酸和赤藓糖醇的产量也相应增加。这表明，乙醇的存在促使O. oeni通过异乳酸发酵途径产生更多的能量。
氧需求：模型还揭示了O. oeni在不同乙醇浓度下对氧的需求。随着乙醇浓度的增加，O. oeni的氧消耗速率显著增加，表明其在乙醇压力下需要更多的氧来维持代谢平衡。
该研究成功构建了O. oeni的基因组尺度代谢模型iSM454，并验证了其在预测营养需求、生长速率和代谢通量方面的准确性。该模型为理解O. oeni在葡萄酒MLF中的代谢行为提供了重要工具，并能够预测不同菌株和不同葡萄酒环境下的MLF完成情况。此外，该模型还为未来开发O. oeni与其他微生物（如酿酒酵母）的代谢相互作用模型奠定了基础。
未来的研究可以进一步整合转录组和蛋白质组数据，以完善模型的预测能力。此外，开发动态通量平衡分析（Dynamic Flux Balance Analysis, DFBA）模型，将有助于模拟O. oeni在葡萄酒中的生长和MLF动力学。最终，该模型可以扩展为模拟葡萄酒微生物组中不同微生物之间的代谢相互作用，为葡萄酒生产提供更全面的理论支持。