In the present work we investigated the most commonly applied methods used for sampling of microorganisms in the field of metabolomics in order to unravel potential sources of error previously ignored but of utmost importance for accurate metabolome analysis. To broaden the significance of our study, we investigated different Gram-negative and Gram-positive bacteria, i.e., Bacillus subtilis, Corynebacterium glutamicum, Escherichia coli, Gluconobacter oxydans, Pseudomonas putida, and Zymononas mobilis, and analyzed metabolites from different catabolic and anabolic intracellular pathways. Quenching of cells with cold methanol prior to cell separation and extraction led to drastic loss (>60%) of all metabolites tested due to unspecific leakage. Using fast filtration, Gram-negative bacteria also revealed a significant loss (>80%) when inappropriate washing solutions with low ionic strength were applied. Adapting the ionic strength of the washing solution to that of the cultivation medium could almost completely avoid this problem. Gram-positive strains did not show significant leakage independent of the washing solution. Fast filtration with sampling times of several seconds prior to extraction appears to be a suitable approach for metabolites with relatively high intracellular level and low turnover such as amino acids or TCA cycle intermediates. Comparison of metabolite levels in the culture supernatant and the cell interior revealed that the common assumption of whole broth quenching protocols attributing the metabolites found exclusively to the intracellular pools may not be valid in many cases. In such cases a differential approach correcting for medium-contained metabolites is required.

Abstract Overflow metabolism refers to the production of seemingly wasteful by-products by cells during growth on glucose even when oxygen is abundant. Two theories have been proposed to explain acetate overflow in Escherichia coli – global control of the central metabolism and local control of the acetate pathway – but neither accounts for all observations. Here, we develop a kinetic model of E. coli metabolism that quantitatively accounts for observed behaviors and successfully predicts the response of E. coli to new perturbations. We reconcile these theories and clarify the origin, control and regulation of the acetate flux. We also find that, in turns, acetate regulates glucose metabolism by coordinating the expression of glycolytic and TCA genes. Acetate should not be considered a wasteful end-product since it is also a co-substrate and a global regulator of glucose metabolism in E. coli . This has broad implications for our understanding of overflow metabolism.

The metabolic networks of microorganisms are remarkably robust to genetic and environmental perturbations. This robustness stems from redundancies such as gene duplications, isoenzymes, alternative metabolic pathways, and also from non‐enzymatic reactions. In the oxidative branch of the pentose phosphate pathway (oxPPP), 6‐phosphogluconolactone hydrolysis into 6‐phosphogluconate is catalysed by 6‐phosphogluconolactonase (Pgl) but in the absence of the latter, the oxPPP flux is thought to be maintained by spontaneous hydrolysis. However, in Δ pgl Escherichia coli , an extracellular pathway can also contribute to pentose phosphate synthesis. This raises question as to whether the intracellular non‐enzymatic reaction can compensate for the absence of 6‐phosphogluconolactonase and, ultimately, on the role of 6‐phosphogluconolactonase in central metabolism. Our results validate that the bypass pathway is active in the absence of Pgl, specifically involving the extracellular spontaneous hydrolysis of gluconolactones to gluconate. Under these conditions, metabolic flux analysis reveals that this bypass pathway accounts for the entire flux into the oxPPP. This alternative metabolic route—partially extracellular—sustains the flux through the oxPPP necessary for cell growth, albeit at a reduced rate in the absence of Pgl. Importantly, these findings imply that intracellular non‐enzymatic hydrolysis of 6‐phosphogluconolactone does not compensate for the absence of Pgl. This underscores the crucial role of Pgl in ensuring the efficient functioning of the oxPPP.

Abstract Microbial production of lipids is one of the promising alternatives to fossil fuels with increasing environmental and energy concern. Odd-chain fatty acids (OCFA), a type of unusual lipids, are recently gaining a lot of interest as target compounds in microbial production due to their diverse applications in the medical, pharmaceutical, and chemical industries. In this study, we aimed to enhance the pool of precursors with three-carbon chain (propionyl-CoA) and five-carbon chain (β-ketovaleryl-CoA) for the production of OCFAs in Yarrowia lipolytica . We evaluated different propionate-activating enzymes and the overexpression of propionyl-CoA transferase gene from Ralstonia eutropha increased the accumulation of OCFAs by 3.8 times over control strain, indicating propionate activation is the limiting step of OCFAs synthesis. It was shown that acetate supplement was necessary to restore growth and to produce a higher OCFA contents in total lipids, suggesting the balance of the precursors between acetyl-CoA and propionyl-CoA is crucial for OCFA accumulation. To improve β-ketovaleryl-CoA pools for further increase of OCFA production, we co-expressed the bktB encoding β-ketothiolase in the producing strain, and the OCFA production was increased by 33 % compared to control. Combining strain engineering and the optimization of the C/N ratio promoted the OCFA production up to 1.87 g/L representing 62% of total lipids, the highest recombinant OCFAs titer reported in yeast, up to date. This study provides a strong basis for the microbial production of OCFAs and its derivatives having high potentials in a wide range of applications.

ABSTRACT L-rhamnose and L-fucose are the two main 6-deoxyhexoses Escherichia coli can use as carbon and energy sources. Deoxyhexose metabolism leads to the formation of lactaldehyde whose fate depends on oxygen availability. Under anaerobic conditions, lactaldehyde is reduced to 1,2-propanediol whereas under aerobic condition, it should be oxidised into lactate and then channelled into the central metabolism. However, although this all-or-nothing view is accepted in the literature, it seems overly simplistic since propanediol is also reported to be present in the culture medium during aerobic growth on L-fucose. To clarify the functioning of 6-deoxyhexose sugar metabolism, a quantitative metabolic analysis was performed to determine extra- and intracellular fluxes in E. coli K-12 MG1655 (a laboratory strain) and in E. coli Nissle 1917 (a human commensal strain) during anaerobic and aerobic growth on L-rhamnose and L-fucose. As expected, lactaldehyde is fully reduced to 1,2-propanediol in anoxic conditions allowing complete reoxidation of the NADH produced by glyceraldehyde-3-phosphate-dehydrogenase. We also found that net ATP synthesis is ensured by acetate production. More surprisingly, lactaldehyde is also primarily reduced into 1,2-propanediol under aerobic conditions. For growth on L-fucose, 13 C-metabolic flux analysis revealed a large excess of available energy, highlighting the need to better characterize ATP utilization processes. The probiotic E. coli Nissle 1917 strain exhibits similar metabolic traits, indicating that they are not the result of the K-12 strain’s prolonged laboratory use. IMPORTANCE E. coli ’s ability to survive, grow and colonize the gastrointestinal tract stems from its use of partially digested food and hydrolysed glycosylated proteins (mucins) from the intestinal mucus layer as substrates. These include L-fucose and L-rhamnose, two 6-deoxyhexose sugars, whose catabolic pathways have been established by genetic and biochemical studies. However, the functioning of these pathways has only partially been elucidated. Our quantitative metabolic analysis provides a comprehensive picture of 6-deoxyhexose sugar metabolism in E. coli under anaerobic and aerobic conditions. We found that 1,2-propanediol is a major by-product under both conditions, revealing the key role of fermentative pathways in 6-deoxyhexose sugar metabolism. This metabolic trait is shared by both E. coli strains studied here, a laboratory strain and a probiotic strain. Our findings add to our understanding of E. coli ’s metabolism and of its functioning in the bacterium’s natural environment.

The metabolic networks of microorganisms are remarkably robust to genetic and environmental perturbations. This robustness stems from redundancies such as gene duplications, isoenzymes, alternative metabolic pathways, and also from non-enzymatic reactions. In the oxidative branch of the pentose-phosphate pathway (oxPPP), 6-phosphogluconolactone hydrolysis into 6-phosphogluconate is catalysed by 6-phosphogluconolactonase (Pgl) but in the absence of the latter, the oxPPP flux is thought to be maintained by spontaneous hydrolysis. However, in ΔpglEscherichia coli, an extracellular pathway can also contribute to pentose-phosphate synthesis. This raises question as to whether the non-enzymatic reaction can compensate for the absence of 6-phosphogluconolactonase and, ultimately, on the role of 6-phosphogluconolactonase in central metabolism. Our results indicate that in the absence of Pgl, this bypass pathway accounts for the entire flux into the oxPPP, suggesting that non-enzymatic hydrolysis does not compensate for the absence of Pgl and demonstrating that Pgl is critical for an efficiently functioning oxPPP.

ABSTRACT Stable-isotope labeling experiments are widely used to investigate the topology and functioning of metabolic networks. Label incorporation into metabolites can be quantified using a broad range of mass spectrometry (MS)and nuclear magnetic resonance (NMR)spectroscopy methods, but in general, no single approach can completely cover isotopic space, even for small metabolites. The number of quantifiable isotopic species could be increased, and the coverage of isotopic space improved, by integrating measurements obtained by different methods; however, this approach has remained largely unexplored because no framework able to deal with partial, heterogeneous isotopic measurements has yet been developed. Here, we present a generic computational framework based on symbolic calculus that can integrate any isotopic dataset by connecting measurements to the chemical structure of the molecules. As a test case, we apply this framework to isotopic analyses of amino acids, which are ubiquitous to life, central to many biological questions, and can be analyzed by a broad range of MS and NMR methods. We demonstrate how this integrative framework helps to i) clarify and improve the coverage of isotopic space, ii) evaluate the complementarity and redundancy of different techniques, iii) consolidate isotopic datasets, iv) design experiments, and v) guide future analytical developments. This framework, which can be applied to any labeled element, isotopic tracer, metabolite, and analytical platform, has been implemented in IsoSolve (available at https://github.com/MetaSysLISBP/IsoSolve and https://pypi.org/project/IsoSolve ), an open source software that can be readily integrated into data analysis pipelines.

Abstract For engineered microorganisms, the production of heterologous proteins that are often useless to host cells represents a burden on resources, which have to be shared with normal cellular processes. Within a certain metabolic leeway, this competitive process has no impact on growth. However, once this leeway, or free capacity, is fully utilized, the extra load becomes a metabolic burden that inhibits cellular processes and triggers a broad cellular response, reducing cell growth and often hindering the production of heterologous proteins. In this study, we sought to characterize the metabolic rearrangements occurring in the central metabolism of Pseudomonas putida at different levels of metabolic load. To this end, we constructed a P. putida KT2440 strain that expressed two genes encoding fluorescent proteins, one in the genome under constitutive expression to monitor the free capacity, and the other on an inducible plasmid to probe heterologous protein production. We found that metabolic fluxes are considerably reshuffled, especially at the level of periplasmic pathways, as soon as the metabolic load exceeds the free capacity. Heterologous protein production leads to the decoupling of anabolism and catabolism, resulting in large excess energy production relative to the requirements of protein biosynthesis. Finally, heterologous protein production was found to exert a stronger control on carbon fluxes than on energy fluxes, indicating that the flexible nature of P. putida ’s central metabolic network is solicited to sustain energy production. Highlights Heterologous protein production in P. putida reshuffles the periplasmic metabolism. Increased protein production progressively decouples catabolism from anabolism. Protein production exerts a stronger control on energy than on carbon fluxes. Glucose is directed towards ATP production to meet the elevated energy demands.

Tuberculosis (TB) is a significant aggravating factor in individuals living with human immunodeficiency virus type 1 (HIV-1), the causative agent for acquired immunodeficiency syndrome (AIDS). Both Mycobacterium tuberculosis (Mtb), the bacterium responsible for TB, and HIV-1 target macrophages. Understanding how Mtb subverts these cells may facilitate the identification of new druggable targets. Here, we explored how TB can induce macrophages to form tunneling nanotubes (TNT), promoting HIV-1 spread. We found that TB triggers metabolic rewiring of macrophages, increasing their glycolytic ATP production. Using pharmacological inhibitors and glucose deprivation, we discovered that disrupting aerobic glycolysis significantly reduces HIV-1 exacerbation in these macrophages. Glycolysis is essential for tunneling nanotubes (TNT) formation, which facilitates viral transfer and cell-to-cell fusion and induces the expression of the sialoadhesin Siglec-1, enhancing both HIV-1 binding and TNT stabilization. Glycolysis did not exacerbate HIV-1 infection when TNT formation was pharmacologically prevented, indicating that higher metabolic activity is not sufficient per se to make macrophages more susceptible to HIV-1. Overall, these data might facilitate the development of targeted therapies aimed at inhibiting glycolytic activity in TB-induced immunomodulatory macrophages to ultimately halt HIV-1 dissemination in co-infected patients.