DOI: https://doi.org/10.1016/j.ymben.2026.01.001
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41490843
تاريخ النشر: 2026-01-03
المؤلف: Sizhe Qiu وآخرون
الموضوع الرئيسي: هندسة التمثيل الغذائي الميكروبي والإنتاج الحيوي
نظرة عامة
تناقش ورقة البحث تطوير نموذج أيضي مقيد بالبروتينات، يسمى pcPigGEM2025، لخلايا جذعية عضلية من نوع Sus scrofa، والتي تلعب دورًا حيويًا في إنتاج اللحوم المزروعة. يعالج هذا النموذج تحديًا كبيرًا في الزراعة على نطاق واسع: التأثيرات المثبطة لللاكتيت المفرز والأمونيا المتراكمة خلال تكاثر الخلايا. من خلال محاكاة نمو هذه الخلايا وأيضها تحت تركيزات متغيرة من اللاكتيت والأمونيا، توفر الدراسة رؤى حول استجابتها الأيضية.
تم بناء النموذج باستخدام بيانات النمو والأيض من حالتين زراعتين متميزتين تتميزان بتركيزات منخفضة وعالية من الأمونيا الأولية. أظهرت محاكاة تدفقات الأيض، بما في ذلك سيناريوهات الاضطراب التي تأخذ في الاعتبار الصيانة غير المرتبطة بالنمو وإمدادات الأكسجين، أن pcPigGEM2025 يلتقط بفعالية الديناميات الأيضية لخلايا جذعية عضلية من S. scrofa. يقدم هذا التقدم تداعيات قيمة لتحسين عملية إنتاج اللحوم المزروعة من خلال استراتيجيات التحكم المعتمدة على النموذج.
مقدمة
تسلط مقدمة ورقة البحث الضوء على التحديات البيئية التي تطرحها تربية الماشية التقليدية، بما في ذلك زيادة الطلب على الأراضي، وانبعاثات ثاني أكسيد الكربون، وتلوث المياه، كما أشارت العديد من الدراسات (Godfray et al., 2018; Tullo et al., 2019; Caro et al., 2014; Yang et al., 2020). استجابةً لذلك، يُقترح إنتاج اللحوم المزروعة من خلايا جذعية ثديية، وخاصة من خلايا جذعية عضلية من Sus scrofa (الخنزير)، كبديل مستدام. تعتبر تثبيط نمو الخلايا بسبب تراكم اللاكتيت والأمونيا ($NH_4^+$)، وهي نواتج ثانوية لعملية الأيض الخلوي، عنق زجاجة كبير في هذه العملية (Chen et al., 2009; Hassell et al., 1991; Ryll et al., 1994; Slivac et al., 2010).
لمعالجة هذه التحديات، تهدف الدراسة إلى تطوير نموذج أيضي على مستوى الجينوم (GEM) لخلايا جذعية عضلية من S. scrofa، يسمى PigGEM2025، جنبًا إلى جنب مع نموذج تحليل توازن التدفق المقيد بالبروتينات (FBA)، pcPigGEM2025. يتضمن هذا النموذج التأثيرات المثبطة للاكتيت و$NH_4^+$ على تكاثر الخلايا، مستخدمًا بيانات النمو والأيض خارج الخلية لمحاكاة تدفق الأيض تحت ظروف بيئية متغيرة. يتم التحقق من دقة pcPigGEM2025 مقابل البيانات التجريبية، مما يضعه كأداة محتملة لتحسين والتحكم في عملية إنتاج اللحوم المزروعة. تسهم هذه الدراسة في المجال من خلال تقديم إطار لفهم وإدارة التفاعلات الأيضية بشكل أفضل في المفاعلات الحيوية المستخدمة في إنتاج اللحوم المزروعة.
طرق
تحدد قسم “المواد والطرق” تصميم التجربة والإجراءات المستخدمة في الدراسة. يوضح المواد المحددة المستخدمة، بما في ذلك مصادرها وطرق تحضيرها، بالإضافة إلى إعداد التجربة. كما يصف القسم المنهجيات المطبقة لجمع البيانات وتحليلها، مما يضمن إمكانية تكرار النتائج.
تحدد التقنيات والأدوات الرئيسية المستخدمة في البحث، جنبًا إلى جنب مع أي معلمات أو ظروف ذات صلة تم إجراء التجارب تحتها. يسمح هذا النهج الدقيق بفهم شامل للإطار التجريبي، مما يسهل تقييم النتائج المقدمة في الأقسام اللاحقة.
مناقشة
في هذه الدراسة، تم تطوير نموذج أيضي مقيد بالبروتينات يسمى pcPigGEM2025 لمحاكاة تكاثر خلايا جذعية عضلية من S. scrofa تحت تركيزات متغيرة من اللاكتيت والأمونيا (NH4+). قام النموذج بتحديد التأثيرات المثبطة لهذه المستقلبات على التحلل السكري، والفوسفوريلATION التأكسدية، وأيض الأحماض الأمينية، مما يظهر قدرته على التنبؤ بحركيات النمو، واستهلاك الجلوكوز، وإفراز اللاكتيت بدقة عالية. ومع ذلك، كانت توقعات النموذج لاستهلاك الجلوتامين وإفراز NH4+ أقل دقة، مما يشير إلى الحاجة إلى تحسين تقديرات التأثيرات المثبطة لـ NH4+ وقيم نشاط الإنزيمات الأكثر دقة المحددة لـ S. scrofa.
كما سلطت الدراسة الضوء على قدرة النموذج على محاكاة الاستجابات للضغوط البيئية الأخرى، مثل التغيرات في إمدادات الأكسجين، مما يعزز من أهميته في العمليات الحيوية لإنتاج اللحوم المزروعة. على الرغم من القيود، بما في ذلك تقدير زائد لإنتاج NH4+ من أيض الأحماض الأمينية والاعتماد على تركيب الكتلة الحيوية الخشنة لتحديد المعاملات الاستوكية، يمثل pcPigGEM2025 تقدمًا كبيرًا في النمذجة الأيضية لخلايا الثدييات. يُقترح العمل المستقبلي لتحسين النموذج من خلال دمج معلمات حركية محددة للأنواع وبيانات تركيب الكتلة الحيوية الأكثر دقة لتعزيز دقته التنبؤية.
DOI: https://doi.org/10.1016/j.ymben.2026.01.001
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41490843
Publication Date: 2026-01-03
Author(s): Sizhe Qiu et al.
Primary Topic: Microbial Metabolic Engineering and Bioproduction
Overview
The research paper discusses the development of a proteome-constrained metabolic model, named pcPigGEM2025, for Sus scrofa muscle stem cells, which are pivotal in cultured meat production. This model addresses a significant challenge in large-scale cultivation: the inhibitory effects of secreted lactate and accumulated ammonium during cell proliferation. By simulating the growth and metabolism of these cells under varying concentrations of lactate and ammonium, the study provides insights into their metabolic responses.
The model was constructed using growth and metabolomics data from two distinct culture conditions characterized by low and high initial ammonium concentrations. Metabolic flux simulations, including perturbation scenarios that account for non-growth associated maintenance and oxygen supply, demonstrated that pcPigGEM2025 effectively captures the metabolic dynamics of S. scrofa muscle stem cells. This advancement offers valuable implications for optimizing the cultured meat production process through model-aided control strategies.
Introduction
The introduction of the research paper highlights the environmental challenges posed by traditional livestock farming, including increased land demand, carbon dioxide emissions, and water pollution, as noted by various studies (Godfray et al., 2018; Tullo et al., 2019; Caro et al., 2014; Yang et al., 2020). In response, cultured meat production from mammalian stem cells, particularly from Sus scrofa (pig) muscle stem cells, is proposed as a sustainable alternative. A significant bottleneck in this process is the inhibition of cell growth due to the accumulation of lactate and ammonium ($NH_4^+$), which are byproducts of cellular metabolism (Chen et al., 2009; Hassell et al., 1991; Ryll et al., 1994; Slivac et al., 2010).
To address these challenges, the study aims to develop a genome-scale metabolic model (GEM) for S. scrofa muscle stem cells, termed PigGEM2025, along with a proteome-constrained flux balance analysis (FBA) model, pcPigGEM2025. This model incorporates the inhibitory effects of lactate and $NH_4^+$ on cell proliferation, utilizing growth and extracellular metabolomics data to simulate metabolic flux under varying environmental conditions. The accuracy of pcPigGEM2025 is validated against experimental data, positioning it as a potential tool for optimizing and controlling the cultured meat production process. This research contributes to the field by providing a framework for better understanding and managing the metabolic interactions in bioreactors used for cultured meat production.
Methods
The “Materials and Methods” section outlines the experimental design and procedures employed in the study. It details the specific materials used, including their sources and preparation methods, as well as the experimental setup. The section also describes the methodologies applied for data collection and analysis, ensuring reproducibility of the results.
Key techniques and instruments utilized in the research are specified, along with any relevant parameters or conditions under which the experiments were conducted. This rigorous approach allows for a comprehensive understanding of the experimental framework, facilitating the evaluation of the findings presented in subsequent sections.
Discussion
In this study, a proteome-constrained metabolic model named pcPigGEM2025 was developed to simulate the proliferation of S. scrofa muscle stem cells under varying concentrations of lactate and ammonium (NH4+). The model effectively quantified the inhibitory effects of these metabolites on glycolysis, oxidative phosphorylation, and amino acid metabolism, demonstrating its capability to predict growth kinetics, glucose consumption, and lactate secretion with high accuracy. However, the model’s predictions for glutamine consumption and NH4+ secretion were less precise, indicating a need for improved approximations of NH4+’s inhibitory effects and more accurate enzyme activity values specific to S. scrofa.
The study also highlighted the model’s ability to simulate responses to other environmental stresses, such as variations in oxygen supply, further establishing its relevance in bioprocesses for cultured meat production. Despite limitations, including the overestimation of NH4+ production from amino acid metabolism and the reliance on coarse-grained biomass composition for stoichiometric coefficients, pcPigGEM2025 represents a significant advancement in metabolic modeling for mammalian cells. Future work is suggested to refine the model by incorporating organism-specific kinetic parameters and more precise biomass composition data to enhance its predictive accuracy.