Carbon dioxide (CO₂) emissions from human activities are driving climate change, but the pending crisis could be mitigated by a circular carbon economy where released CO₂ is recycled into commodity chemicals. Autotrophic microbes can make a contribution by producing chemicals, such as biofuels, from CO₂ and renewable energy. The primary natural CO₂ fixation pathway is the Calvin cycle, in which the enzyme Rubisco carboxylates ribulose-1,5-bisphosphate. The present investigation used computational systems biology methods to map adaptations and constraints in autotrophic microbial metabolism based on the Calvin cycle. First, the metabolic network of the Calvin cycle-capable photoautotrophic cyanobacterium Synechocystis was contrasted with that of heterotrophic E. coli. Intracellular metabolite concentration ranges differed, leading to different capacity to provide thermodynamic driving forces to chemical production pathways. Second, the Calvin cycle in Synechocystis was modeled kinetically, showing that certain enzyme saturation and metabolite levels, for example high ribulose-1,5-bisphosphate concentration, were detrimental to stability. Control over reaction rates was distributed, but making certain enzymes faster, for example fructose-1,6-bisphosphatase, could increase overall carbon fixation rate. Third, Synechocystis was starved of CO₂ and ribosome profiling was used to track the effect on translation. Stress response and CO₂ uptake were upregulated, but constant Rubisco expression and ribosome pausing in 5' untranslated regions indicated readiness for reappearance of CO₂. Finally, microbial genomes with and without the Calvin cycle were contrasted, revealing metabolic, energetic, and regulatory adaptations that describe the properties of a functional autotroph. These findings provide a background for future study and engineering of autotrophs for direct conversion of CO₂ into commodity chemicals.

Utsläpp av koldioxid (CO₂) från mänskliga aktiviteter driver klimatförändringarna, men den stundande krisen skulle kunna mildras av en cirkulär kolekonomi där CO₂ som släpps ut återvinns till råvarukemikalier. Autotrofa mikrober kan bidra genom att producera kemikalier, såsom biobränslen, från CO₂ och förnybar energi. Den primära naturliga syntesvägen för CO₂-fixering är calvincykeln, i vilken enzymet Rubisco karboxylerar ribulos-1,5-bisfosfat. Undersökningen som ligger till grund för denna avhandling använde systembiologiska beräkningsmetoder för att kartlägga anpassningar och begränsningar i autotrof mikrobiell metabolism baserad på calvincykeln. För det första kontrasterades det metaboliska nätverket hos den calvincykelkapabla fotoautotrofa cyanobakterien Synechocystis med det hos heterotrofen E. coli. De intracellulära metabolitkoncentrationerna var olika, vilket ledde till olika kapacitet att bistå med termodynamisk drivkraft till kemiska syntesvägar. För det andra modellerades calvincykeln i Synechocystis kinetiskt, vilket visade att vissa enzymsatureringsnivåer och metabolitkoncentrationer, bland annat hög ribulos-1,5-bisfosfatkoncentration, motverkade stabiliteten. Kontroll över reaktionshastigheter var distribuerad, men ökning av hastigheten hos vissa enzymer, till exempel fruktos-1,6-bisfosfatas, skulle kunna öka den generalla kolfixeringshastigheten. För det tredje svältes Synechocystis på CO₂ och ribosomprofilering användes för att följa effekten på translationen. Stressrespons och CO₂-upptag uppreglerades, men konstant uttryck av Rubisco och pausning av ribosomer i de icketranslaterade 5'-regionerna indikerade beredskap för ett återuppträdande av CO₂. Slutligen jämfördes mikrobiella genom med och utan calvincykeln, vilket avslöjade metaboliska, energetiska, och regulatoriska anpassningar som beskriver egenskaperna hos en funktionell autotrof. Dessa upptäckter ger en bakgrund för framtida studier och ingenjörsmässig design av autotrofer för direkt omvandling av CO₂ till råvarukemikalier.

Earth's climate has been upset by carbon dioxide (CO₂) emissions from human activities and the use of fossil resources. To prevent catastrophic events on the environment and on civilizations, we urgently need to develop alternative solutions that utilize renewable resources. One contributing solution is to exploit metabolically engineered cyanobacteria that convert CO₂ and sunlight into bioproducts, such as fuels or biodegradable plastics. However, these ancient bacteria have evolved a complex, robust, and self-regulated metabolic network that efficiently converts CO₂ to biomass rather than a foreign chemical, which limits the productivity of engineered strains and the potential to use them in an industrial setting. Extended knowledge is therefore needed regarding the regulatory processes that govern their metabolism, in order to develop more efficient producer strains. The present investigation took advantage of recently developed systems biology techniques to explore translational and post-translational regulation in the model cyanobacterium Synechocystis. The first study showed that CO₂-starved Synechocystis downregulated anabolic processes by post-translational ribosome inactivation. Ribosome profiling indicated that ribosomes that remained active were primarily synthesizing proteins involved in CO₂ uptake and stress mediation. The regulatory protein thioredoxin TrxC was upregulated by induced translation and may conduct post-translational redox regulation during CO₂ stress. In the second study, diurnal oscillations in the transcriptome, translatome and proteome were investigated using mRNA sequencing, ribosome profiling and quantitative proteomics. A stable proteome was observed, despite significant oscillations in protein synthesis. A model describing the dynamic relationship between protein synthesis and protein abundance suggested that a slow protein turnover is causing the observed effect. A stable proteome suggests that shifts between autotrophic and heterotrophic metabolism occurring during day-night cycles are controlled by post-translational regulation. The third study investigated proteome arrangement strategies during light and CO₂ limitation. Integration of proteomics data into a cellular protein economy model indicated that Synechocystis keeps underutilized protein reserves. These reserves may be activated by post-translational regulation to quickly adapt to changing growth conditions. In the fourth study, post-translational regulation by metabolite interactions was investigated using interaction proteomics and enzyme kinetic assays. Glyceraldehyde-3-phosphate activated the enzyme fructose/sedoheptulose-bisphosphatase, suggesting a feedforward activation mechanism in the Calvin cycle. AMP deactivates the same enzyme, which may facilitate glycogen catabolism during CO₂ starvation. The findings and data of this work could guide future studies and attempts to engineer cyanobacteria for a sustainable production of commodity chemicals.

Koldioxidutsläpp från mänskliga aktiviteter och utnyttjandet av fossila råvaror har satt jordens klimat ur balans. För förhindra katastrofala konsekvenser på civilisationer och naturliga miljöer behöver vi snarast utveckla alternativa lösningar som baserar sig på förnybara råvaror. En potentiell lösning är att använda genetiskt modifierade cyanobakterier som omvandlar koldioxid och solljus till värdefulla produkter, såsom bränslen och biologiskt nedbrytbar plast. Men dessa uråldriga bakterier har utvecklat ett komplext, robust och självreglerat metaboliskt nätverk för att effektivt omvandla koldioxid till sin egen biomassa, snarare än en främmande kemikalie. Detta begränsar de modifierade cyanobakteriernas produktivitet och möjligheten att använda dem för industriellt bruk. Därför krävs det utökad kunskap om hur deras metabolism är reglerad för att kunna utveckla högproduktiva stammar. Denna undersökning har utnyttjat nyligen utvecklade systembiologi-tekniker för att utforska hur metabolismen regleras i cyanobakterien Synechocystis. Resultaten från den första studien visade att Synechocystis nedreglerar anabola processer genom posttranslationell inaktivering av ribosomer när de svältes på koldioxid. Ribosomprofilering visade att ribosomer som fortfarande var aktiva tillverkade proteiner involverade i koldioxidupptag och stresshantering. Det regulatoriska proteinet thioredoxin TrxC ökade i mängd genom uppreglerad translation och utför möjligen posttranslationell redox-reglering under koldioxidstress. I den andra studien undersöktes dagliga svängningar i transkriptom, translatom och proteom med hjälp av mRNA-sekvensering, ribosomprofilering och kvantitativ proteomik. Ett stabilt proteom observerades, trots signifikanta svängningar i translation. En matematisk modell som beskrev det dynamiska förhållandet mellan proteinsyntes och proteinnivåer i cellen antydde att en långsam proteinomsättning orsakar den observerade effekten. Observationen av ett stabilt proteom antydde att omställningen mellan autotrof och heterotrof metabolism som sker mellan dag och natt regleras på posttranslationell nivå. Den tredje studien undersökte proteomallokeringsstrategier under ljus- och koldioxidbegränsad tillväxt. Integrering av proteomikdata i en cellulär proteinekonomimodell antydde att Synechocystis håller på underutnyttjade proteinreserver. Dessa reserver aktiveras förmodligen av posttranslationell reglering för att snabbt anpassa sig till förändringar i tillväxtmiljön. I den fjärde studien undersöktes posttranslationell reglering av metabolitinteraktioner med hjälp av interaktionsproteomik och enzymkinetiska analyser. Glyceraldehyd-3-fosfat aktiverade enzymet fruktos/sedoheptulosbisfosfatas, vilket föreslår en feedforward-aktiveringsmekanism i Calvin cykeln. AMP hämmar samma enzym, vilket skulle kunna styra glykogenkatabolism under koldioxidsvält. Resultaten och datan från detta arbete kan vägleda framtida forskning och försök att modifiera cyanobakterier för en hållbar produktion av råvarukemikalier.