대안 최적 및 근접 최적 흐름에서 고플럭스 백본 보존성 분석

초록

본 연구는 대장균과 효모의 대사망에서 대안 최적 및 근접 최적 플럭스 분포가 고플럭스 백본(HFB)에 미치는 영향을 조사한다. FVA 기반 방법으로 모든 대안 해에서 반드시 HFB에 포함되는 반응을 식별하고, 대안 최적에서는 E. coli가 높은 보존성을 보이는 반면 S. cerevisiae는 중간 수준의 보존성을 보였다. 근접 최적에서는 HFB가 크게 변동했으며, 보존된 반응들은 필수 반응 및 고유 생산·소비(UP/UC) 반응과 높은 겹침을 나타냈다. 이는 대사망이 근접 최적 흐름에서 높은 중복성과 플라스틱성을 갖고 있어 시스템 강인성을 강화한다는 것을 시사한다.

상세 분석

본 논문은 기존 고플럭스 백본(HFB) 개념을 확장하여, 동일 환경에서 얻어지는 여러 대안 최적(optimal) 및 근접 최적(near‑optimal) 플럭스 해들 사이의 보존 정도를 정량적으로 평가한다. 이를 위해 먼저 E. coli와 S. cerevisiae의 최신 게놈 규모 대사 모델을 사용하고, 각각의 성장 조건(예: 포도당 최소 배지)에서 FBA를 수행해 하나의 최적 해를 얻는다. 그 다음, Flux Variability Analysis(FVA)를 적용해 각 반응의 최소·최대 가능한 흐름 범위를 구하고, “최대 생산/소비 반응” 규칙을 이용해 HFB 후보 집합을 정의한다. 여기서 핵심은 모든 대안 최적 해에 대해 동일하게 HFB에 포함되는 반응을 식별하는 알고리즘을 제시한 점이다. 구체적으로, 각 대사산물에 대해 FVA 결과가 겹치는 구간 내에서 가장 큰 플럭스를 갖는 반응을 선택하고, 이 선택이 모든 최적 해에서 일관되면 해당 반응을 “보존 HFB”라 정의한다.

분석 결과, E. coli에서는 전체 HFB 중 약 85 %가 대안 최적 해에서도 변함없이 유지되었으며, 이는 대사망이 핵심 에너지·전구체 생산 경로를 강하게 고정하고 있음을 의미한다. 반면 S. cerevisiae에서는 보존 비율이 약 55 %에 머물러, 효모가 보다 다양한 대사 경로를 활용해 동일한 성장률을 달성할 수 있음을 보여준다. 근접 최적 해(목표 성장률의 95 % 이하)에서는 두 종 모두 보존 비율이 급격히 감소했으며, 특히 E. coli에서도 30 % 이하로 떨어졌다. 이는 근접 최적 상태에서 플럭스 분포가 크게 재배치될 수 있음을 시사한다.

또한, 보존된 HFB 반응을 기능적으로 분류하면, 대부분이 필수 반응(노크아웃 실험에서 생존에 필수)과 고유 생산(UP)·고유 소비(UC) 반응과 겹친다. 이는 시스템이 핵심 대사 흐름을 유지하면서도, 비핵심 경로는 다중 경로를 통해 대체 가능하도록 설계되었음을 의미한다. 이러한 플라스틱성은 환경 변화나 유전적 교란에 대한 내성을 제공한다는 가설과 일치한다.

마지막으로, 저자들은 제안한 FVA‑기반 보존 HFB 식별 방법이 다른 미생물 모델이나 복합 환경에서도 적용 가능함을 논의하고, 향후 대사공학에서 목표 경로의 안정성을 평가하거나, 약물 표적 탐색 시 필수·고유 반응을 우선적으로 고려하는 전략에 활용될 수 있음을 제안한다.