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.